Dr inż. Edward Musiał

Edward Musiał
Oddział Gdański SEP
PRZEGLĄD ELEKTRYCZNYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA.
GŁÓWNE WŁAŚCIWOŚCI I TENDENCJE ROZWOJOWE
1. Wstęp
Historia praktycznych zastosowań oświetlenia elektrycznego liczy sobie około 160 lat, jeżeli
za jej początek uznać instalacje poza laboratorium pierwszych lamp łukowych o ręcznie nastawianych elektrodach. Minęło z górą półtora wieku wytężonej pracy najpierw samotnych wynalazców
dysponujących skromnymi środkami i godną podziwu determinacją, a później – prac badawczych
podstawowych i aplikacyjnych finansowanych głównie przez zamożnych producentów sprzętu
oświetleniowego. Wynikiem tych prac i dociekań jest nadal obserwowany stały rozwój techniki
oświetleniowej, czasem niesłusznie uważanej za dziedzinę klasyczną o małym potencjale innowacyjnym. Z roku na rok systematycznie, chociaż powoli, poprawia się parametry źródeł światła i
powiększa ich asortyment, a co kilkanaście lat pojawiają się na rynku źródła światła o nowej zasadzie działania. Zarazem minione 160 lat to zaledwie mgnienie oka w procesie ewolucji człowieka,
który nadal ma wzrok ukształtowany przez setki tysięcy lat hasania po rozświetlonych sawannach
afrykańskich. Nie należy o tym zapominać ustalając i wdrażając w życie standardy oświetleniowe.
Elektryk napotykający problematykę oświetleniową powinien rozumieć zasadę działania różnych źródeł światła i granice ich możliwości, aby rozważnie je stosować, aby nie żądać od
producentów parametrów nieosiągalnych, aby nie wierzyć bezkrytycznie tekstom reklamowym i
aby nie podpisywać się pod zamówieniem iluś sztuk żarówek do rtęciówek.
Kiedy 6 października 1904 roku król pruski i cesarz niemiecki Wilhelm II inaugurował
pierwszy rok akademicki w Politechnice Gdańskiej, rozpoczynał działalność jej Instytut Elektrotechniczny, zaprojektowany i wyposażony z rozmachem. Ze względów dydaktycznych do oświetlenia budynku Instytutu użyto wszelkich dostępnych wtedy elektrycznych źródeł światła. Były
żarówki węglowe i lampy Nernsta 1 , lampy łukowe o węglach czystych 2 , lampy łukowe płomienne 3
i lampy łukowe o węglach nasyconych 4 . Pojawiła się też zupełna nowość: prototyp niskoprężnej
lampy rtęciowej o ciekłej katodzie (rtęciowej), opatentowanej przez P. C. Hewitta zaledwie w 1901
roku, a kilka lat później – lampa Moore’a do sygnalizacji morskiej, odmiana rury świetlącej.
Po stu latach niewielu wie o tych najnowocześniejszych podówczas lampach. Większość z
tych lamp dawno przeszła do muzeów techniki; do zastosowań specjalnych produkuje się jeszcze
żarówki węglowe, a dzisiejsze nisko- i wysokoprężne lampy rtęciowe nie przypominają wspomnianego prototypu.
Technika elektrycznych źródeł światła rozpoczęła się od poszukiwań przypadkowych, w małym stopniu uwzględniających skuteczność świetlną źródeł i własności barwowe światła, obecnie
1
Lampy żarowe, w których żarnikiem jest pręcik z tlenku magnezu lub innego materiału niewymagającego próżni bądź
atmosfery beztlenowej. Żarnik przewodzi dopiero w wysokiej temperaturze i jest wstępnie podgrzewany (przez 10–
20 s) za pomocą nawiniętej na nim platynowej spirali.
2
Lampy łukowe o elektrodach z czystego węgla, w których światło ciepłobiałe jest emitowane głównie przez krater
anody, o luminancji L nieprzekraczającej 108 cd/m2.
3
Lampy łukowe o znaczącym udziale łuku w wytwarzaniu światła dziennobiałego (L ≥ 108 cd/m2).
4
Lampy łukowe (płomienne) o elektrodach domieszkowanych dla korekcji widma i zwiększenia skuteczności świetlnej
(do 80 lm/W), o przeważającym udziale łuku w wytwarzaniu światła (L ≥ 108 cd/m2).
1
czynniki o pierwszorzędnym znaczeniu. Na rys. 1 przedstawiono poglądowo ewolucję skuteczności
świetlnej różnych źródeł światła w minionym półwieczu. Zamiast linii powinny być na tym rysunku
szerokie pasma obejmujące pełen zakres wartości skuteczności świetlnej źródeł obserwowany w
określonych latach, ale wtedy rysunek byłby nieczytelny. Przedstawione linie są zbliżone do górnej
granicy wspomnianych pasm.
lm
W
200
η
sodowe niskoprężne
180
160
sodowe wysokoprężne
140
120
świetlówki + SE
100
metalohalogenkowe
80
świetlówki
60
rtęciowe wysokoprężne
40
żarówki
halogenowe 12 V
20
żarówki
diody LED
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
rok
2010
Rys. 1. Ewolucja skuteczności świetlnej wybranych źródeł światła
(SE – statecznik elektroniczny)
Inne mechanizmy postępu wyróżniające rozwój źródeł światła w ostatnich 50 latach to dogłębne poznawanie fizykochemicznych podstaw wytwarzania światła na poziomie atomu i cząsteczki, odkrywanie nowych koncepcji źródeł światła i opanowanie nowych materiałów umożliwiających ich realizację na skalę przemysłową.
W minionych 50 latach pojawiły się i nadal są doskonalone lampy sodowe wysokoprężne i
lampy metalohalogenkowe oraz bezelektrodowe lampy wyładowcze, a zastosowania oświetleniowe
znalazły diody świecące. Nie rozwinęły się kondensatorowe źródła światła, zapowiadane przed pół
wiekiem świecące ściany, ale być może to miejsce zajmą organiczne diody elektroluminescencyjne.
Drogę od skuteczności świetlnej 3 lm/W do wartości blisko 10-krotnie większej żarówki
przebywały 100 lat, a diody elektroluminescencyjne przebyły ją w 15 lat. Nowy impuls technice
oświetleniowej dały tanie światłowody, a zrewolucjonizowała ją elektronika: przemienniki częstotliwości, elektroniczne stateczniki i zapłonniki bądź zespolone układy stabilizująco-zapłonowe,
energoelektroniczne zasilacze oświetlenia awaryjnego oraz najprzeróżniejsze elektroniczne układy
sterowania oświetlenia poczynając od prostych ściemniaczy po cyfrowe układy sterowania w budynkach inteligentnych.
W wyniku postępującego upowszechnienia wyładowczych źródeł światła, odbiorników nieliniowych, nasila się problem utrzymania należytej jakości energii elektrycznej i to również w instalacjach i sieciach dawniej uchodzących za niezagrożone odkształceniami harmonicznymi, jak sieci
osiedli mieszkaniowych i sieci wiejskie. Nabierają znaczenia problemy ograniczania odkształcenia
pobieranego prądu i w konsekwencji – odkształcenia napięcia, a także dużych prądów załączeniowych powodowanych przez kondensatory do poprawy współczynnika mocy. Stateczniki elektro2
Tablica 1. Źródła światła do ogólnych celów oświetleniowych
Źródła światła
zwykłe
Zakres mocy
znamionowych
Skuteczność
świetlna
Trwałość
W
lm/W
h
15 ÷ 2000
8 ÷ 20
1000 ÷ 1500
Czas zaświecania
lampy nagrzanej
lampy zimnej
(po chwilowym
zaniku napięcia)
Żarówki
0
halogenowe
10 ÷ 2000
12 ÷ 26
2000 ÷ 3500
kompaktowe
5 ÷ 25
50 ÷ 87
8000
Świetlówki
0,5 ÷ 3 s,
ale strumień świetlny Φ ≈ Φn
10 ÷ 65
40 ÷ 100
6000 ÷ 16000
23 ÷ 165
48 ÷ 74
60000
Lampy rtęciowo-żarowe
100 ÷ 1000
17 ÷ 31
1000 ÷ 3000
0
3 ÷ 6 min
Rtęciówki wysokoprężne
50 ÷ 2000
35 ÷ 60
5000 ÷ 10000
3 ÷ 5 min
6 ÷ 10 min
liniowe
zimna lampa osiąga po kilku minutach
0,1÷1 s,
Lampy indukcyjne
ale strumień świetlny Φ ≈ Φn
zimna lampa osiąga po kilku sekundach
(QL), a nawet kilku minutach (Genura)
6 ÷ 10 min
(zapłon bezzwłoczny lamp
dwustronnie
trzonkowanych)
Lampy metalohalogenkowe
20 ÷ 2000
60 ÷ 100
2000 ÷ 10000
3 ÷ 5 min
Sodówki niskoprężne
10 ÷ 200
100 ÷ 200
5000 ÷ 10000
7 ÷ 12 min
0
3 ÷ 7 min
2 ÷ 6 min
(20 s, jeśli antena
zapłonowa)
Sodówki wysokoprężne
Diody elektroluminescencyjne
35 ÷ 1000
40 ÷ 150
4000 ÷ 16000
0,2 ÷ 5
20 ÷ 100
100 000
0
Inne
właściwości
Światło ciepłe, żółtawe. Prosta konstrukcja. Niska cena. Nie
wymagają osprzętu dodatkowego. Zaświecają się natychmiast.
Duża niezawodność. Wrażliwe na odchylenia napięcia zasilającego. Dobrze znoszą częste załączanie. Przy 50 Hz tętnienie
światła pomijalne.
Światło ciepłe. Prosta konstrukcja. Mogą wymagać osprzętu
dodatkowego. Zaświecają się natychmiast. Duża niezawodność. Wrażliwe na odchylenia napięcia. Przy 50 Hz tętnienie
światła pomijalne.
Zastosowania
Mieszkania, małe pomieszczenia biurowe, handlowe. Miejsca,
w których tylko dorywczo korzysta się z oświetlenia. Lampy
przenośne, ręczne. Oświetlenie awaryjne.
Oświetlenie dekoracyjne wnętrz mieszkalnych i handlowych,
wystaw i gablot. Nieduże boiska, korty tenisowe, lodowiska.
Otoczenie budynków (lampy sterowane podczerwienią). Iluminacje.
Dobór luminoforu decyduje o barwie światła (dzienna, biała, Mieszkania, małe pomieszczenia biurowe, handlowe. Lampy
ciepłobiała...) i wpływa na skuteczność świetlną.
przenośne. Oświetlenie awaryjne.
Strumień świetlny wyraźnie maleje w niskiej temperaturze
otoczenia. Trwałość może wyraźnie maleć przy większej częstości załączeń. Konieczny statecznik. Tętnienie światła, jeśli
statecznik indukcyjny.
Pomieszczenia biurowe i handlowe. Audytoria i czytelnie.
Magazyny. Hale przemysłowe o niedużej wysokości. Podrzędne ulice i place.
Świetlówki De Luxe: sale operacyjne, gabinety diagnostyczne,
galerie obrazów, druk barwny, tkalnie i farbiarnie, malarnie,
stanowiska kontroli barwy wyrobów.
Światło białe, nietętniące. Wysoka cena. Kosztowny zasilacz.
Trudny dostęp do źródeł światła. Względy prestiżowe.
Oddawanie barw mierne. Nie wymagają statecznika.
Dzięki żarnikowi: lampa zimna zaświeca się natychmiast po
załączeniu, tętnienie światła nieduże.
Oddawanie barw złe, niedobór czerwieni w widmie. Tętnienie
światła duże. Konieczny statecznik.
Tylko do zastępowania żarówek w istniejących instalacjach
(przy tej samej mocy źródła światła pozwalają łatwo zwiększyć natężenie oświetlenia o 50 %)
Hangary, magazyny. Place składowe i przeładunkowe, torowiska, bocznice kolejowe, dworce. Ulice i drogi. Parki, trawniki,
iluminacja drzew.
Oddawanie barw dostateczne ... doskonałe (zależnie od doboru
halogenków). Wrażliwe na odchylenia napięcia zasilającego.
Tętnienie światła duże. Konieczny statecznik i ew. układ zapłonowy.
Pomieszczenia biurowe i handlowe. Audytoria i czytelnie.
Reprezentacyjne hole. Wysokie hale przemysłowe o dużych
wymaganiach co do barwy światła. Hale sportowe. Rozległe
tereny oświetlane z krańców: stadiony (możliwość transmisji
TV), place prefabrykacyjne, pochylnie, suche doki. Drogi i
węzły drogowe o dużym natężeniu ruchu. Iluminacje.
Przypadki ograniczonej przejrzystości powietrza z powodu
dymu, zapylenia, mgły: odlewnie, składy węglowe, drogi,
tunele, mosty i wiadukty, śluzy, kanały, porty, lotniska.
Iluminacje budynków z piaskowca i cegły. Stanowiska kontroli wykrywające defekty powierzchni tkanin, blach itp.
Światło jednobarwne żółtopomarańczowe. Bardzo złe oddawanie barw. Światło zapewnia dużą ostrość widzenia, nawet w
zapylonej lub zamglonej atmosferze. Mało wrażliwe na odchylenia napięcia zasilającego. Tętnienie światła duże. Konieczny
statecznik i ew. układ zapłonowy.
Światło złociste ... ciepłobiałe zależnie od ciśnienia i składu Lampy o skorygowanej barwie: Pomieszczenia handlowe.
atmosfery w jarzniku. Tętnienie światła duże. Konieczny sta- Przejścia i dworce. Wysokie hale przemysłowe i sportowe.
Lampy o nieskorygowanej barwie: Drogi i węzły drogowe.
tecznik i ew. układ zapłonowy.
Boiska. Iluminacje budynków z piaskowca i cegły.
Do ogólnych celów oświetleniowych tworzy się matryce za- Iluminacje, sygnalizacja, światła obrysowe, duże wyświetlawierające wiele diod, np. 16×16 = 256 diod. Światło różnoko- cze. Oprawy oświetleniowe sufitowe, ścienne, przenośne.
lorowe i białe. Zasilanie bardzo niskim napięciem. Odporne na
uderzenia i drgania.
niczne z zasilaczami impulsowymi SMPS (ang. switch mode power supply) również mają duże prądy załączeniowe, a obwody lamp zasilane prądem dużej częstotliwości zagrażają zakłóceniami wypromieniowanymi.
Ważna stała się kwestia recyklingu zużytych lamp i ochrony środowiska przed zanieczyszczeniem rtęcią, luminoforami, tworzywami sztucznymi i innymi groźnymi materiałami używanymi
do produkcji źródeł światła i towarzyszącego im wyposażenia.
Postępu zatrzymać nie można i za kilkadziesiąt lat obraz rynku źródeł światła z pewnością
będzie inny niż obecnie (tabl. 1). Zapewne – po dalszych udoskonaleniach – pozostanie większość
dzisiejszych lamp, łącznie z żarówkami, ale zakres ich stosowania ulegnie zmianie, bo w porównaniu z obecnym stanem wyraźnie większy udział będą miały diody świecące i zupełnie nowe źródła
światła, o których dzisiaj wiadomo niewiele albo zupełnie nic.
2. Lampy żarowe (żarówki)
2.1. Inkandescencyjne wytwarzanie światła
Lampy żarowe działają na zasadzie inkandescencji, czyli temperaturowego wytwarzania
światła, wykorzystują emisję promieniowania wskutek cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek. Widmo jest ciągłe, obejmuje szeroki zakres długości fal. Gęstość monochromatyczną egzytancji promienistej Eeλ ciała czarnego 1 o temperaturze bezwzględnej T precyzyjnie opisuje wzór
Plancka:
Eeλ =
c1
,
c
⎡
⎤
λ5 ⋅ ⎢exp⎛⎜ 2 ⎞⎟ − 1⎥
⎣ ⎝ λ ⋅T ⎠ ⎦
w którym
λ – długość fali,
c1 = 3,74 ⋅1020
W ⋅ nm 4
m2
,
c2 = 1,439 ⋅107 nm ⋅ K .
Reprezentacją graficzną prawa Plancka jest rys. 2. Poszukując ekstremum funkcji egzytancji
promienistej Eeλ względem długości fali promieniowania λ otrzymuje się prawo przesunięć Wiena:
λmax ⋅T = 2,898 ⋅ 106 nm ⋅ K
Z prawa Wiena wynika, że długość fali λmax, przy której występuje największa gęstość widmowa egzytancji promienistej jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury T ciała czarnego: λmax
∝ T–1. Żarówka bez odzysku energii, z fikcyjnym żarnikiem będącym ciałem czarnym, miałaby
największą sprawność fotometryczną i największą skuteczność świetlną przy temperaturze żarnika
6500 K 2 . Gdyby udało się wykonać żarówkę z żarnikiem o takiej temperaturze roboczej – co jest
nieprawdopodobne – to miałaby ona sprawność fotometryczną ηf = 0,131 i skuteczność świetlną
η = 90⋅ηe ≈ 90⋅0,8 ≈ 70 lm/W [6]. Ta nieosiągalna granica nie wygląda imponująco w porównaniu z
już osiąganą, znacznie większą skutecznością świetlną wielu lamp wyładowczych.
Ciało czarne (promiennik zupełny) ma emisyjność ελ = 1 niezależnie od długości fali i ma największą możliwą gęstość widmową egzytancji promienistej w każdej temperaturze i dla każdej długości fali.
2
Temperaturę 6500 K warto zapamiętać, bo jest ważnym odniesieniem właściwości barwowych światła. Jest to temperatura fotosfery Słońca, jego promieniującej warstwy powierzchniowej, a przy tym świetle kształtowała się czułość
widmowa oka ludzkiego.
1
3
Rys. 2. Gęstość widmowa egzytancji promienistej Eeλ ciała czarnego o temperaturze bezwzględnej T (reprezentacja graficzna prawa
Plancka)
Żarnik wolframowy. Po latach doświadczeń z żarnikami wykonanymi ze zwęglonych włókien naturalnych w roku 1915 Irving Langmuir, użył wolframu – pierwiastka o najwyższej temperaturze topnienia (3650 K). Żarnik wolframowy jest promiennikiem selektywnym 1 , wykazuje emisyjność ελ ≈ 0,44 w zakresie widzialnym i wyraźnie mniejszą w zakresie podczerwieni, na którą przypada przeważająca część mocy promienistej żarówki. Selektywność wolframu sprawia, że – w
porównaniu z ciałem czarnym o tej samej temperaturze – żarówka wolframowa ma korzystniejsze
parametry: większą (o 30÷50%) skuteczność świetlną i większą (o 50÷85 K) temperaturę barwową.
Silnie rozgrzany żarnik spłonąłby natychmiast w obecności tlenu, wobec tego we wnętrzu
bańki utrzymuje się próżnię albo atmosferę beztlenową. Żarówki małej mocy (do 15 W lub 25 W)
wykonuje się jako próżniowe, większej mocy – jako gazowane.
Gabaryt żarnika powinien być jak najmniejszy, aby ograniczyć jego straty cieplne i, co jest
ważne w przypadku projektorów, aby uzyskać możliwie punktowe źródło światła. Żarnik żarówek
głównego szeregu 110÷240 V wymaga drutu wolframowego o średnicy 10÷45 μm i znacznej długości. Zatem drut zwija się w skrętkę lub w dwuskrętkę, a nawet w trójskrętkę. Najlepszy jest wolfram polikrystaliczny o opóźnionej rekrystalizacji, z którego otrzymuje się drut niezwisający.
W żarówce gazowanej o stratach cieplnych żarnika decyduje kondukcja ciepła w warstwie
Langmuira, nieruchomej warstwie gazu „przylepionej” do żarnika. Straty cieplne żarnika o długości l i średnicy d są proporcjonalne do iloczynu l⋅d 0,3. W przypadku skrętki chodzi o długość pozorną skrętki l i zewnętrzną średnicę pozorną skrętki d. Łatwo oszacować, że przejście od prostego
drutu do skrętki, a także przejście od skrętki do dwuskrętki, pozwala kilkakrotnie zmniejszyć straty
cieplne.
Zużycie żarnika wywołują dwa procesy:
termiczny transport wolframu z żarnika na bańkę, czyli sublimacja 2 wolframu, o szybkości
ceteris paribus 3 proporcjonalnej do T 30÷40,
1
Promiennik nieselektywny, czyli ciało szare (np. ciało stałe o powierzchni chropowatej, jak tlenki metali) ma emisyjność o wartości ελ < 1 niezależnej od długości fali. Promiennik selektywny (np. metal o powierzchni nieutlenionej)
ma emisyjność zależną od długości fali ελ = f(λ).
2
Sublimacja – przejście substancji stałej bezpośrednio w stan gazowy.
3
Ceteris paribus (łac.) – przy jednakowych pozostałych [warunkach].
4
chemiczny transport wolframu z żarnika w miejsca chłodniejsze pod działaniem zanieczyszczeń,
zwłaszcza śladowych ilości pary wodnej.
W wysokiej temperaturze przy żarniku cząsteczka wody dysocjuje cieplnie, a uwolnione atomy tlenu łączą się z atomem wolframu tworząc dwutlenek wolframu WO2:
W + 2H 2O → W + 2(2H + O ) → WO2 + 2H 2
Dwutlenek wolframu, lotny w wysokiej temperaturze otoczenia żarnika, w niższej temperaturze kondensuje na powierzchni bańki albo na doprowadnikach i wspornikach żarnika, przy czym
wolny wodór redukuje tlen:
WO2 + 2H 2 → W + 2H 2O
W następstwie tej odwracalnej reakcji w miejscach osiadania narastają kryształy wolframu, a
śladowe ilości pary wodnej wracają do destrukcyjnego obiegu, teoretycznie nie ulegając zużyciu.
Żarnik idealny, o jednakowym przekroju i jednakowej temperaturze w każdym miejscu, teoretycznie miałby trwałość nieograniczoną. Z biegiem czasu jego przekrój zmniejszałby się równomiernie coraz wolniej, bo rosłaby jego rezystancja, a malał przepływający prąd i obniżała się temperatura. Żarnik rzeczywisty ma plamki gorące, wskutek nieuniknionych przewężeń przekroju i
nierównomiernego skoku skrętki, z których wolfram ubywa coraz szybciej, bo proces ten ma dodatnie sprzężenie zwrotne.
Trwałość żarówek i innych elektrycznych źródeł światła można rozumieć jako:
trwałość absolutną – czas świecenia do chwili wygaśnięcia wskutek uszkodzenia, np. przepalenia żarnika,
trwałość użytkową, gwarantowaną przez wytwórcę jako trwałość znamionowa Ln – czas świecenia do chwili, gdy strumień świetlny obniży się poniżej określonego poziomu, np. poniżej 0,85
wartości znamionowej.
Żarówka należy do prostych elementów, w których skutki procesów starzeniowych kumulują się i które cechuje rozkład normalny funkcji gęstości prawdopodobieństwa uszkodzeń f(t). Bardziej poglądowa jest funkcja przeżycia, zależność od czasu wskaźnika niezawodności p(t) obrazującego prawdopodobieństwo, że trwałość L będzie większa od rozpatrywanej wartości czasu podanej na osi odciętych (rys. 3).
p(t)
p(t) = P (τ >t)
1
f(t)
0,5
t
0
0
0,7.τn
τn
Rys. 3. Przebieg w czasie funkcji gęstości prawdopodobieństwa uszkodzeń f(t) i wskaźnika niezawodności p(t) żarówek
Zwykłe żarówki do ogólnych celów oświetleniowych mają trwałość znamionową 1000 h lub
1500 h, a takież żarówki halogenowe – od 2000 h do 4000 h. Przy niezmiennych warunkach roboczych żarnika większa trwałość oznacza mniejszą skuteczność świetlną i kierowanie się przy doborze wartością tylko jednego z tych parametrów prowadzi na manowce. Kiedy waliła się gospodarka
5
nakazowa, władze decydowały się na chybione działania ratunkowe. Tuż przed rokiem 1980 ogłoszono jako sukces zwiększenie trwałości żarówek o 50% (1000→1500 h) i podwyżkę ich cen, nie
wspominając, że ma to na celu niewielkie zmniejszenie importu wolframu. Prosty rachunek wykazywał, że u przeciętnego użytkownika koszty wytwarzania światła nie zmieniłyby się, gdyby te
„lepsze” żarówki były wyraźnie tańsze, a nie droższe. Żarówki trwalsze, a przy tym droższe, mogą
mieć sens tylko w miejscach, gdzie ich wymiana jest kłopotliwa i/lub kosztowna i/lub ważna jest
niezawodność świecenia. W porównaniu z tym poziomem trwałości żarówek do ogólnych celów
oświetleniowych spotyka się:
Żarówki o znacznie większej trwałości, tzw. żarówki niedowoltowane, o obniżonej temperaturze
roboczej żarnika, głównie jako żarówki sygnalizacyjne, np. do sygnalizacji ulicznej (8000 h) i
miniaturowe LLD 5 V, 0,3 W (100 000 h) albo do nocnych lamp czuwania (6000 h). Z tych zastosowań żarówki są od lat wypierane przez diody elektroluminescencyjne.
Żarówki o znacznie mniejszej trwałości (Ln ≤ 200 h), tzw. żarówki przewoltowane, o podwyższonej temperaturze roboczej żarnika, głównie jako żarówki do projektorów obrazów, projektorów samochodowych i do celów fotograficznych.
Ubytek strumienia świetlnego ograniczający trwałość użytkową ma dwie przyczyny:
a) Maleje z czasem strumień świetlny emitowany przez żarnik, bo jego zużywaniu się towarzyszy zmniejszanie się mocy pobieranej przez lampę i temperatury żarnika.
b) Postępuje ciemnienie bańki przez osadzający się na niej wolfram, zwłaszcza w górnej części. Występuje to wyraźniej w bańkach o małej powierzchni. Proces można ograniczać wprowadzając do bańki drobne ilości substancji (np. fluoroglinianów, fluorokrzemianów), które reagują z wolframem na bańce, zamieniając ciemny osad w nalot jasny, bardziej przezroczysty.
W przypadku żarówek do ogólnych celów oświetleniowych, zależnie od zastosowanych zabiegów konstrukcyjnych, po 1000 h świecenia strumień świetlny obniża się o 10÷30%.
lm
W
η
40
we
no
ge
o
l
ha
30
20
10
iow
żn
pró
e
wa
zo
ga
we
ro
to
k
e
oj
pr
Xe
ne
T
1500
2000
2500
3000
3500
K
Rys. 4. Skuteczność świetlna żarówek w zależności od temperatury roboczej żarnika wolframowego [5]
żarówki głównego szeregu próżniowe
żarówki głównego szeregu gazowane zwykłe
żarówki (gazowane) halogenowe
żarówki projektorowe halogenowe napełniane ksenonem
Trwałość L i skuteczność świetlna η żarówki silnie zależą od temperatury żarnika:
L ∝ T –30÷–40
η ∝ T 4,3
i trudność polega na tym, aby jednocześnie oba te parametry utrzymać na satysfakcjonującym poziomie (rys. 4, tabl. 2), bo łatwo wykonać żarówkę o bardzo dużej trwałości i znikomej skuteczno6
ści świetlnej albo odwrotnie – o dużej skuteczności świetlnej i maleńkiej trwałości. Trwałość znamionowa żarówek do ogólnych celów oświetleniowych powinna być dobrana, aby zapewnić jak
najmniejsze koszty wytwarzania światła; może być korygowana w razie drastycznych zmian kosztu
energii elektrycznej. Zwiększenie temperatury żarnika i skuteczności świetlnej bez uszczerbku dla
trwałości jest możliwe, jeżeli zwiększa się średnicę drutu żarnika, tzn. ceteris paribus w żarówkach
o większej mocy i w żarówkach o niższym napięciu znamionowym.
Tablica 2. Porównanie skuteczności świetlnej i trwałości żarówek halogenowych 1000 W, 230 V o różnym
przeznaczeniu [1]
Skuteczność świetlna
lm/W
22
25
27,5
33
Wykonanie
do ogólnych celów oświetleniowych
do oświetlenia studia TV
do wideofilmowania
do celów fotograficznych
Trwałość
h
2000
200
75
15
2.2. Główne odmiany żarówek
Żarówki gazowane. W cienkościennych dużych bańkach żarówek głównego szeregu, ze
zwykłego szkła sodowo-wapiennego, nie można stosować ciśnienia znacznie większego niż atmosferyczne. Bańkę napełnia się gazem o ciśnieniu mniejszym od atmosferycznego (0,06÷ 0,09 MPa),
aby w nagrzanej żarówce nie przekraczało ono ok. 0,15 MPa. W porównaniu z żarówką próżniową
spowalnia to na tyle proces sublimacji wolframu z żarnika, że jego temperaturę można podnieść o
200÷400 K, zależnie od składu atmosfery, zachowując tę samą trwałość i zwiększając skuteczność
świetlną oraz temperaturę barwową światła.
Niestety zwiększają się straty cieplne żarnika, bo występuje konwekcja, której nie ma w żarówce próżniowej. Przeciwdziała się temu stosując żarnik o jak najmniejszym gabarycie oraz gaz o
dużej masie cząsteczkowej, a więc o cząsteczkach mało ruchliwych. Wchodzą w rachubę:
Gaz
Masa atomowa
Zawartość w atmosferze % wagowo
N2
14,00
75,5
A
39,95
1,3
Kr
83,80
0,0003
Xe
131,3
0,00004
Początkowo bańkę napełniano azotem (N2), ale korzyści były mierne ze względu na małą masę atomową oraz pobór energii na dysocjację cieplną cząsteczek dwuatomowych. Obecnie powszechnie stosuje się argon (A), najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie i wobec tego najtańszy gaz szlachetny. Ma on tu jednak – jak wszystkie gazy szlachetne – istotną wadę, a mianowicie
małą energię jonizacji i małe napięcie zapłonu łuku. Przy przerwaniu żarnika u kresu jego trwałości, dochodziłoby przy napięciu 110 V i wyższym do zapłonu łuku w miejscu przerwy i do eksplozji żarówki. Zagrożenie to opanowuje się dwojako:
- bańkę napełnia się nie czystym argonem, ale dodaje się 5÷15 % azotu, który spełnia rolę inhibitora łuku, podnosi napięcie zapłonu łuku,
- żarówkę wyposaża się w bezpiecznik doprowadnikowy (rys. 5) z drutu monelowego (67% Ni +
30% Cu + Fe, Mn, C) o średnicy 0,14÷0,2 mm, o zdolności wyłączania około 1,5 kA, współpracujący wybiorczo z bezpiecznikiem instalacyjnym In ≥ 6 A lub z nadmiarowym wyłącznikiem
instalacyjnym In ≥ 6 A.
7
a)
b)
Rys. 5. Bezpieczniki doprowadnikowe w żarówkach 230 V: a) zwykłej; b) halogenowej
Zastąpienie argonu znacznie droższym kryptonem (Kr) pozwala zwiększyć skuteczność
świetlną o dalsze 10%, niewiele, bo krypton jonizuje się jeszcze łatwiej i trzeba zwiększyć procentową dawkę azotu. Podobnie rzecz wygląda przy przejściu od kryptonu do ksenonu (Xe). Zagrożenia eksplozji przepalającej się żarówki nie ma w przypadku żarówek na napięcie znamionowe bardzo niskie (ELV), np. 12 V; nie wymagają one dodatku azotu jako inhibitora łuku. Zarazem dzięki
małej objętości bańki można ją w całości napełnić droższym gazem szlachetnym, kryptonem, a nawet ksenonem, oraz zwiększyć ciśnienie gazu (do 0,4÷0,5 MPa) i tą drogą znacznie podnieść temperaturę roboczą żarnika i skuteczność świetlną. Dodatkowym czynnikiem, który to ułatwia, jest
fakt, że im niższe napięcie znamionowe, tym ceteris paribus większa średnica drutu żarnika.
Żarówki halogenowe. Już w roku 1915 powstał, a w roku 1959 został praktycznie wdrożony
pomysł odwracalnego cyklu halogenowego. Poza gazem obojętnym do bańki wprowadza się halogen 1 (początkowo jod, obecnie raczej brom), który (rys. 6) w strefie (1) najgorętszej, tuż przy żarniku, występuje w postaci zdysocjowanej. W strefie pośredniej (2) halogen wiąże ulatujące z żarnika atomy wolframu tworząc halogenek 2 . Pozostaje on lotny, nie kondensuje, nie osiada na bańce,
jeśli w każdym miejscu strefy chłodniejszej (3) temperatura jest dostatecznie wysoka, co najmniej
250°C w przypadku jodku. Krążąc we wnętrzu bańki cząsteczka halogenku ponownie trafia do strefy pośredniej, gdzie dysocjuje, a wolny wolfram ma szansę trafić znowu do strefy najgorętszej i
osiąść na żarniku. Jeśli nie, to opisany proces trwa nadal, a wolfram nie jest bezpowrotnie tracony.
Mimo to żarówka halogenowa nie ma nieograniczonej trwałości z oczywistych powodów:
- wolfram najintensywniej sublimuje z przewężeń żarnika i innych plamek gorących, a powraca
niekoniecznie w te miejsca,
- po wyłączeniu żarówka stygnie i nieco halogenku osiada na bańce.
Bańka żarówki halogenowej w miarę możności ma kształt cylindryczny z żarnikiem umieszczonym osiowo (rys. 6, 7). Pozwala to utrzymać w każdym punkcie bańki wymaganą temperaturę i
– mimo małej powierzchni – bańka wolno ciemnieje.
Badania za pomocą atomów znaczonych wykazały, że duża trwałość obecnych żarówek halogenowych (jodowanych, bromowanych) jest nie tyle wynikiem odwracalnego cyklu halogenowego,
co znacznie wolniejszej sublimacji wolframu dzięki wysokiemu ciśnieniu całkowitemu atmosfery
1
Halogen – pierwiastek z grupy chlorowców (fluorowców): fluor 9F, chlor 17Cl, brom 35Br oraz jod 53J (nie licząc nietrwałego promieniotwórczego astatu 85At).
2
Halogenek – dwuskładnikowy związek halogenu z innym pierwiastkiem (przede wszystkim z metalem), sól kwasu
chlorowcowodorowego: jodek, bromek, chlorek, fluorek.
8
wypełniającej bańkę i dużemu ciśnieniu cząstkowemu 1 pary wolframu w otoczeniu żarnika.
Rys. 6. Charakterystyczne strefy temperaturowe w żarówce halogenowej
Na skuteczny odwracalny cykl halogenowy można by liczyć dopiero w żarówce fluorowanej.
Fluorek wolframu ma najwyższą ze wszystkich halogenków temperaturę dysocjacji cieplnej. Wobec tego dysocjowałby głównie w pobliżu plamek gorących i wolfram powracałby tam, gdzie jest
najpotrzebniejszy. Do realizacji tego efektownego pomysłu byłby jednak potrzebny materiał na
bańkę żarówki wytrzymujący działanie fluoru i jego związków w wysokiej temperaturze i do tego –
przezroczysty; na razie nadziei nie widać.
Rys. 7. Porównanie wymiarów dwóch żarówek 1000 W:
zwykłej (u góry) i halogenowej liniowej dwustronnie
trzonkowanej (u dołu)
Ze względu na wysoką temperaturę pracy bańkę żarówki halogenowej wykonuje się ze szkła
kwarcowego. Ponieważ ma ono bardzo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej (5, 8 ⋅ 10 −7 K -1 ),
zatopione w nim doprowadniki trzeba wykonać z plastycznej folii molibdenowej (rys. 6). Jeśli żarówka nie ma drugiej, zewnętrznej ochronnej bańki ze zwykłego szkła, to nie należy jej dotykać
gołymi rękoma. Pod działaniem potu, zawierającego sole, tworzą się ośrodki krystalizacji kwarcu o
zmienionej rozszerzalności cieplnej, co grozi mętnieniem i pękaniem bańki. W razie nieuważnego
dotknięcia bądź zabrudzenia, bańkę należy przemyć spirytusem przed kolejnym załączeniem i nagrzaniem żarówki.
2.3. Korekcja widma i rozsyłu światła
Możliwości korekcji widma są nieduże, bo widmo promieniowania żarnika wynika z zasad
inkandenscencji (rys. 2). Odbłyśniki i filtry absorpcyjne nic do tego widma nie dodają, mogą tylko ująć dzięki selektywnemu odbiciu, przepuszczaniu i pochłanianiu. Ich monochromatyczne
(widmowe) współczynniki odbicia ρλ, przepuszczania τλ i pochłaniania αλ wykazują pożądaną za1
Ciśnienie cząstkowe (ciśnienie parcjalne) – ciśnienie jednego z gazów w mieszaninie gazów idealnych; jest równe
ciśnieniu, jakie miałby dany składnik mieszaniny zajmując całą jej objętość i mając jej temperaturę. Całkowite ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie ciśnień cząstkowych poszczególnych składników.
9
leżność od długości fali padającego promieniowania. Nieuchronnym skutkiem jest zawsze zmniejszenie strumienia świetlnego wysyłanego przez żarówkę, a zatem – zmniejszenie skuteczności
świetlnej. Dla ograniczenia luminancji i zapobiegania olśnieniu zwykłe żarówki miewają:
bańki ze szkła matowanego (ubytek strumienia świetlnego 3...6%) o powierzchni wewnętrznej
trawionej kwasem,
bańki ze szkła opalizowanego (ubytek strumienia ok. 15%) o powierzchni wewnętrznej elektrostatycznie pokrytej warstewką, glinki kaolinowej albo krzemionki i dwutlenku tytanu, rozpraszającą światło (softone).
Natomiast dla uzyskania specjalnych efektów oświetleniowych zwykłe żarówki miewają
bańki ze szkła barwionego skrośnie lub powierzchniowo (ubytek strumienia 30÷95%); bańki te
miewają też wyszukane kształty (żarówki fasonowe, świecowe, rurowe). Są wśród nich bańki ze
szkła neodymowego (ubytek strumienia 30÷40%, zwiększenie temperatury barwowej najbliższej o
200 K), barwionego związkami neodymu; bańka jest filtrem absorpcyjnym silnie pochłaniającym
promieniowanie o barwie żółtej i pomarańczowej. W uzyskaniu pożądanego rozsyłu mogą pomóc
bańki zwierciadlane (ubytek strumienia 10÷20%), z odbłyśnikiem wewnętrznym na kopule lub na
szyjce, nienarażonym na wpływy środowiska, wykonanym przez próżniowe odparowanie aluminium (odbłyśnik srebrzysty) lub stopu Cu-Al (odbłyśnik złocisty).
Z rozkładu widmowego egzytancji promienistej żarówki halogenowej wynika, że ze względu
na wyższą temperaturę żarnika emituje ona większą dawkę nadfioletu niż zwykła żarówka, a bańka
ze szkła kwarcowego to promieniowanie przepuszcza na zewnątrz. Trzeba o tym pamiętać przy
oświetlaniu obiektów wrażliwych na nadfiolet: barwnych obrazów i rycin, tkanin i wyrobów ze
skóry. Zagrożenie dla człowieka nie jest duże. Przy natężeniu oświetlenia 1000 lx wytworzonym
przez żarówki halogenowe, natężenie napromienienia [W/m2] nadfioletem UV-B i UV-C sięga zaledwie 2% wartości występującej na wolnym powietrzu przy czerwcowym słońcu w południe. Inaczej mówiąc, 8 godzin ekspozycji przy żarówkach halogenowych odpowiada 10-minutowej ekspozycji przy czerwcowym słońcu. Przy długim czasie ekspozycji i/lub większym natężeniu napromienienia wskazane są żarówki o podwójnej bańce lub oprawy z szybką pochłaniającą nadfiolet. Przy
natężeniu oświetlenia znacznie większym niż 1000 lx narażenie byłoby poważniejsze, ale wtedy
chodzi o oświetlenie miejscowe, przy którym czynnikiem dokuczliwym i oczywistym bez przeprowadzania pomiarów staje się również promieniowanie podczerwone.
Dla zmniejszenia w emitowanym widmie zawartości podczerwieni stosuje się zimne odbłyśniki (zimne zwierciadła), zwłaszcza w kompaktowych oprawach żarówek halogenowych (rys. 8).
Są to filtry interferencyjne, wielowarstwowe bardzo cienkie powłoki naprzemian z dwóch różnych
materiałów o znacznie różniących się współczynnikach załamania światła (zwierciadła dichroiczne). Idealny zimny odbłyśnik miałby współczynnik odbicia ρλ = 1 w zakresie widzialnym i współczynnik przepuszczania τλ = 1 w zakresie podczerwieni. Służą do oświetlania obiektów wrażliwych
na ciepło; co najmniej o połowę redukują strumień cieplny emitowany w kierunku świecenia. Przy
instalowaniu opraw z zimnym odbłyśnikiem trzeba pamiętać, że w kierunku przeciwnym, do tyłu
oprawy, jest kierowana znaczna moc cieplna.
W przypadku bezcieniowych lamp operacyjnych stosuje się ponadto filtry podczerwieni,
przez które przechodzi światło skierowane na pole operacyjne. Promieniowanie podczerwone musi
być praktycznie wyeliminowane, aby nie dopuścić do przegrzania i wysuszenia 1 pola operacyjnego.
Mimo to trzeba kontrolować efekt cieplny promieniowania widzialnego, bo w polu operacyjnym
wytwarza się natężenie oświetlenia od 10 000 lx do 100 000 lx, zależnie od rodzaju zabiegu. Dzięki
filtrom wymagane natężenie oświetlenia wytwarza się przy natężeniu napromienienia (wyrażonym
w W/m2) blisko 10-krotnie mniejszym niż przy użyciu żarówek halogenowych bez żadnych filtrów.
1
Podczas kilkugodzinnej operacji na otwartym brzuchu pacjent może utracić 2 litry płynów przez parowanie z rany
operacyjnej.
10
Rys. 8. Zasada zimnego odbłyśnika [7]
Żarówki z odzyskiem energii. Skuteczność świetlną żarówki udaje się zwiększyć (o
20÷30%) nakładając na powierzchni bańki filtr interferencyjny działający odwrotnie niż wyżej
wspomniany: przepuszczający promieniowanie widzialne, a odbijający z powrotem w kierunku
żarnika promieniowanie podczerwone.
Żarówki z luminoforem. Jest to na razie kolejny pomysł ze sfery fantazji na żarówkę o rekordowej skuteczności świetlnej, podobnie jak wcześniej wspomniany żarnik nagrzany do 6500 K i
żarówka fluorowana. Bywa jednak, że z czasem udaje się zrealizować koncepcje uważane wcześniej za nierealne. Chodzi o pokrycie bańki luminoforem, który zamieniałby promieniowanie podczerwone w promieniowanie widzialne, czyli luminoforem antystokesowym, działającym wbrew
regule Stokesa (rozdz. 3). Byłoby to możliwe, gdyby cząsteczka luminoforu emitowała kwant promieniowania dopiero po pochłonięciu dwóch lub więcej kwantów promieniowania absorbowanego
i czyniła to z wystarczająco dużym prawdopodobieństwem.
2.4. Problemy eksploatacyjne
Wrażliwość żarówek na odchylenia napięcia zasilającego jest większa, niż innych źródeł
światła, dopóki mowa o odchyleniach nie przekraczających kilkunastu procent, tzn. nie zagrażających wygasaniem lamp wyładowczych. Zależność tę można przedstawić w postaci funkcji potęgowej o wykładniku zależnym od temperatury roboczej żarnika i wypełnienia bańki (próżnia czy gaz,
skład atmosfery gazowej i jej ciśnienie). Żarówki zwykłe głównego szeregu (rys. 9) silniej reagują
na odchylenia napięcia niż żarówki halogenowe (rys. 10). Wykazują w przybliżeniu następującą
zależność istotnych parametrów od napięcia:
1,5
moc pobierana:
⎛U ⎞
P = Pn ⎜⎜
⎟⎟
⎝Un ⎠
strumień świetlny:
⎛U ⎞
⎟⎟
Φ = Φn ⎜⎜
⎝ Un ⎠
trwałość:
⎛U
L = Ln ⎜⎜
⎝Un
⎞
⎟⎟
⎠
3,6
prąd pobierany:
⎛U ⎞
I = I n ⎜⎜ ⎟⎟
⎝Un ⎠
skuteczność świetlna:
η = η n ⎜⎜
−14
11
0, 5
⎛U ⎞
⎟⎟
⎝Un ⎠
2, 3
Rys. 9. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego (U) na względną wartość parametrów żarówek zwykłych [7]: trwałość (L), moc pobieraną
(P), prąd pobierany (I), strumień świetlny (Φ),
skuteczność świetlną (η)
Rys. 10. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego (U) na względną wartość parametrów żarówek halogenowych [7]: trwałość (Lebensdauer),
moc pobieraną (Leistungsaufnahme), strumień świetlny
(Lichtstrom), temperaturę barwową najbliższą (ähnlichste Farbtemperatur)
Uwaga: na osi rzędnych (pionowej) podziałka w ćwiartkach II oraz IV dotyczy tylko trwałości L (Lebensdauer).
Lampy zwykle pracują przy napięciu zmieniającym się i wypada poradzić sobie z taką sytuacją, przewidzieć jej konsekwencje. Ilustracją niech będzie przykład najprostszy. Grupa żarówek
jest załączona połowę czasu użytkowania 0,5⋅Tu (wieczorem) przy napięciu 0,95⋅Un, a połowę czasu użytkowania 0,5⋅Tu (nocą) – przy napięciu 1,05⋅Un. Określić wytwarzaną przez nie ilość światła,
pobieraną energię oraz ich rzeczywistą trwałość.
Parametry charakteryzujące działanie żarówek w rozważanych warunkach użytkowania są
następujące:
przy 0,95⋅Un
przy 1,05⋅Un
strumień świetlny
Φ1 = 0,953,6 ⋅ Φn = 0,83 ⋅ Φn
moc pobierana
P1 = 0,951,5 ⋅ Pn = 0,93 ⋅ Pn
trwałość
L1 = 0,95−14 ⋅ Ln = 2,053 ⋅ Ln
strumień świetlny
Φ2 = 1,053,6 ⋅ Φn = 1,19 ⋅ Φn
moc pobierana
P2 = 1,051,5 ⋅ Pn = 1,08 ⋅ Pn
trwałość
L2 = 1,05−14 ⋅ Ln = 0,51 ⋅ Ln
Rzeczywiście wytwarzana ilość światła wynosi
Q = 0,5 ⋅ (0,83 + 1,19 ) ⋅ Φn Tu = 1,01 ⋅ Φn Tu ≈ Φn Tu
Rzeczywiście zużywana energia elektryczna wynosi
A = 0,5 ⋅ (0,926 + 1,076) ⋅ PnTu = 1,00 ⋅ PnTu
Rzeczywista trwałość żarówek wynika z równania określającego, że łączne względne zużycie równa się 1 (100%):
12
0,5 ⋅ L
0,5 ⋅ L
+
=1
2,05 ⋅ Ln 0,51 ⋅ Ln
stąd:
L = 0,81 ⋅ Ln
Działając w podanych warunkach żarówki wytworzą niemal taką samą ilość światła i zużyją
taką samą energię, jak gdyby pracowały stale przy napięciu równym znamionowemu, ale ich trwałość obniży się o 19%. Zatem koszt wytworzenia tej samej ilości światła będzie większy. Gdyby
pracowały na zmianę przez taki sam czas przy napięciu 0,90⋅Un i 1,10⋅Un, to wyniki byłyby następujące:
Q = 1,05⋅ΦnTu
A = 1,00⋅ PnTu
L = 0,50⋅ Ln
Takie przykłady można mnożyć, zmieniając dane, i okaże się każdorazowo, że praca przy napięciu znamionowym – jeżeli odbiornik elektryczny jest prawidłowo skonstruowany – jest najkorzystniejsza.
Prąd załączania żarówek. Podobnie jak inne metale w postaci czystej, wolfram ma dodatni i
dość duży temperaturowy współczynnik rezystywności α = 0,0046 K–1. Po załączeniu temperatura
żarnika szybko zwiększa się o 2300÷3300 K (rys. 3) ponad temperaturę otoczenia i jego rezystancja
wzrasta
(
)
1 + α τ p − τ o = 1 + 0,0046 ⋅ (2300 ÷ 3300) = (12 ÷ 15) - krotnie
W tym samym stosunku prąd załączeniowy jest większy niż prąd znamionowy. Powyższe
oszacowanie nie jest dokładne z trzech powodów:
zakłada liniową zależność rezystywności od temperatury mimo bardzo dużej różnicy temperatur,
pomija łagodzący wpływ impedancji instalacji zasilającej,
pomija łagodzący wpływ nieustalonego stanu cieplnego żarnika.
Każde załączenie nadweręża przewężenia żarnika szczególnie narażone na przegrzewanie, bo
mają większą rezystancję, a mniejszą cieplną stałą czasową, niż inne części żarnika o tej samej długości. Zarazem oddziaływania elektrodynamiczne tak dużego prądu wywołują drgania lokalnie
przegrzanego żarnika. Ma to umiarkowane znaczenie w przypadku żarówek głównego szeregu
(w ogóle nie świecąc w sposób ciągły wytrzymują do 500 000 załączeń), ale duże w przypadku
żarówek o szczególnie wysokiej temperaturze roboczej żarnika: fotograficznych i projektorowych.
Ich prąd załączeniowy można ograniczać włączając szeregowo termistor NTC albo zasilając żarówki poprzez zasilacz elektroniczny z ogranicznikiem prądu. Termistor potrzebuje 6÷12 minut na
ostygnięcie przed kolejnym załączeniem; po przeminięciu prądu załączeniowego może być zwierany, aby przyspieszyć jego stygnięcie.
Udary prądu załączeniowego żarówek wolframowych większej mocy uwzględnia się przy
doborze zabezpieczeń nadprądowych, które powinny je przetrzymywać, i przy doborze zdolności
załączania rozłączników.
Żarówki z włóknem węglowym, używane obecnie głównie do celów dekoracyjnych, dzięki
ujemnemu współczynnikowi temperaturowemu rezystywności α = – 0,0007 K–1, przy załączaniu
pobierają prąd ponad 2-krotnie mniejszy niż prąd znamionowy.
Ściemnianie żarówek (ang. dimming) jest znacznie łatwiejsze niż obniżanie strumienia
świetlnego lamp wyładowczych. Najprostsze rozwiązanie polega na sterowaniu fazowym w obwodzie napięcia sieciowego (50 Hz, 230 V), np. na nastawianiu kąta fazowego zapłonu triaka lub tyrystora w obwodzie żarówki lub żarówek Przy większym kącie zapłonu towarzyszy temu pobór prądu
silnie odkształconego i znaczne zwiększenie współczynnika tętnienia światła. Wady te likwiduje
rozwiązanie doskonalsze polegające na sterowaniu w obwodzie wyjściowym „transformatora elektronicznego” zasilającego żarówki ELV, czyli przekształtnika energoelektronicznego o napięciu
wyjściowym na przykład 20 kHz lub 50 kHz, 11,5 V +6%/–10%.
13
Niezależnie od użytych narzędzi ściemniania (autotransformator, transduktor, triaki, tyrystory, tranzystory, transformator elektroniczny) skutki energetyczne i fotometryczne w prosty sposób
zależą od wartości skutecznej napięcia na zaciskach żarówek. Ubocznym skutkiem ściemniania jest
zawsze zmniejszenie skuteczności świetlnej i temperatury barwowej, bo polega ono na obniżaniu
średniej temperatury żarnika. W przypadku żarówek halogenowych zbyt głębokie obniżanie wartości skutecznej napięcia grozi obniżeniem temperatury w stopniu zakłócającym odwracalny cykl
halogenowy.
Pomysłem poronionym jest ściemniacz w postaci diody włączanej szeregowo z żarówką, od
czasu do czasu pojawiający się na rynku przy lampkach nocnych albo diody włączanej przez administrację budynku w obwód oświetlenia piwnicy, aby uniemożliwić tam korzystanie z innych odbiorników niż żarówki. Oznacza to obniżenie
U n / 2 = 0,71 ⋅ U n
wartości skutecznej napięcia do poziomu
1
strumienia świetlnego do poziomu
,
0,713,6 Φn = 0,29 ⋅ Φn ,
mocy pobieranej do poziomu
0,711,6 Pn = 0,58 ⋅ Pn ,
a zatem – dwukrotnego zmniejszenia skuteczności świetlnej, bo 0,29Φn/0,58Pn = 0,50ηn.
Co prawda takie skutki występują przy obniżeniu napięcia do poziomu 0,71⋅Un niezależnie od
użytej metody, ale w tym przypadku dochodzi jeszcze jeden skutek – znaczne zwiększenie współczynnika tętnienia światła przy jednoczesnym niekorzystnym zmniejszeniu jego częstotliwości ze
100 Hz do 50 Hz.
Rys. 11. Temperatura różnych punktów powierzchni
żarówek głównego szeregu o mocy 25 W oraz 100 W
zależnie od położenia pracy (przy temperaturze otoczenia +25°C) [4]
Żarówka jako źródło ciepła. Około 95% pobranej mocy elektrycznej żarówka rozprasza w
postaci mocy cieplnej przez promieniowanie, konwekcję i kondukcję. Powierzchnie zewnętrzne
popularnych żarówek głównego szeregu osiągają znaczne temperatury (rys. 11), a żarówek
halogenowych 12 V jeszcze wyższe. Zagraża to sąsiadującym obiektom: elementom oprawy,
podłożu, na którym jest ona mocowana i pobliskim powierzchniom z materiałów łatwopalnych. Ze
względu na zagrożenie pożarowe należy dobierać oprawy oświetleniowe przystosowane do
1
A nie do poziomu 0,5⋅Un, jak nauczają moderatorzy forum ise.
14
zagrożenie pożarowe należy dobierać oprawy oświetleniowe przystosowane do warunków ich instalowania (tabl. 3) i pod żadnym pozorem nie przekraczać największej dopuszczalnej mocy źródła
światła określonej przez wytwórcę oprawy.
Tablica 3. Umowne oznaczenia na oprawach oświetleniowych
Symbol
Przeznaczenie oprawy oświetleniowej
F
Oprawa przystosowana do mocowania na podłożu z materiału o temperaturze zapłonu nie mniejszej niż 200°C
D
dawniej:
F
F
M
Oprawa przystosowana do instalowania w miejscach zagrożonych pożarem
z powodu występowania palnych pyłów i włókien
H
Oprawa przystosowana do mocowania w ścianach warstwowych
M
Oprawa przystosowana do montażu w meblach z materiałów trudno zapalnych. o
temperaturze zapłonu nie mniejszej niż 200°C
M
Oprawa przystosowana do montażu w meblach z materiałów o nieokreślonych
własnościach palnych (również z materiałów łatwo zapalnych)
3. Lampy wyładowcze – problemy wspólne
Lampy wyładowcze do ogólnych celów oświetleniowych i do celów specjalnych mają wspólne cechy i wspólne problemy związane z zasadą działania, budową, użytkowymi parametrami fotometrycznymi, zasadami doboru i instalowania oraz eksploatacji. Zbiorcze ich przedstawienie ma
wprowadzić pewien ład w przekazywaniu wiedzy na ich temat.
Zasada wytwarzania światła. Do wytwarzania światła lampy wyładowcze wykorzystują
zjawisko luminescencji, tzn. emisji promieniowania optycznego, przez wzbudzone atomy i/lub
cząsteczki, przewyższającego promieniowanie inkandenscencyjne w tych samych warunkach. Jest
to zatem promieniowanie, którego energia powstaje kosztem innych rodzajów energii, niż energia
cieplna. Spośród różnych odmian tego zjawiska w lampach elektrycznych są wykorzystywane dwie
odmiany luminescencji:
Elektroluminescencja – do wzbudzenia atomów lub cząsteczek pochłaniana jest energia pola
elektrycznego (świecenie wyładowania elektrycznego w gazie, świecenie złącza p-n diody
świecącej),
Fotoluminescencja – energii do wzbudzenia dostarcza promieniowanie widzialne lub nadfioletowe. Zależnie od tego, po jakim czasie t zanika świecenie po ustaniu wzbudzenia rozróżnia się
fluorescencję (t < 10–8 s), np. świecenie luminoforów w świetlówkach, rtęciówkach i innych
lampach oraz fosforescencję (t >> 10–8 s), np. świecenie znaków drogowych, podziałówek
mierników. Śladową fosforescencję wykazują też luminofory, co nieco zmniejsza współczynnik
tętnienia światła lamp z luminoforem zasilanych napięciem 50 Hz.
Ciśnienie w jarzniku lampy. Wiele własności lampy zależy od tego, czy należy ona do lamp
15
nisko- czy wysokoprężnych, przy czym ta klasyfikacja bywa błędnie interpretowana. Istotne jest to,
czy ciśnienie cząstkowe głównego składnika atmosfery wypełniającej jarznik jest na poziomie
zbliżonym do 1 Pa, czy znacznie wyższe.
Lampy niskoprężne mają wspomniane ciśnienie rzędu 1 Pa, aby wyeksponować promieniowanie rezonansowe, powstające w następstwie przejścia wzbudzonego atomu z wyższego poziomu
energetycznego od razu do stanu podstawowego. Wymaga to ciśnienia tak małego, aby uniknąć
wzajemnych oddziaływań sąsiednich atomów. Należą do tej grupy niskoprężne lampy rtęciowe
(świetlówki, lampy bakteriobójcze, lampy do fototerapii), w których eksponuje się linię rezonansową 253,7 nm wytłumiając linię 184,9 nm oraz niskoprężne lampy sodowe, w których wykorzystuje
się dublet sodowy, tzn. dwie bardzo bliskie linie rezonansowe w zakresie widzialnym: 589 i 589,6
nm. Małe ciśnienie sprawia, że mała jest objętościowa gęstość mocy wyrażona w watach lub w lumenach na jednostkę objętości jarznika. Zatem objętość jarznika jest duża, co sprzyja dużym stratom cieplnym zwłaszcza, jeżeli temperatura robocza jest wysoka, jak w sodówkach. Niskie ciśnienie sprawia też, że po krótkotrwałym zaniku napięcia ponowny zapłon następuje bezzwłocznie. W
przewidywanym zakresie temperatur otoczenia w jarzniku występuje nasycona para rtęci lub sodu,
bo ten składnik podstawowy jest wprowadzany z nadmiarem. W rezultacie ciśnienie pary i parametry wyładowania zależą od temperatury najchłodniejszego miejsca jarznika. Wobec tego lampa jest
wrażliwa na zmiany temperatury otoczenia, jeśli jej temperatura robocza jest niska, jak w świetlówkach.
Lampy wysokoprężne, w których ciśnienie cząstkowe głównego składnika atmosfery jest
znacznie większe niż 1 Pa, na ogół rzędu 105÷107 Pa. W widmie dominują wyższe przejścia energetyczne, w miarę wzrostu ciśnienia widmo z prążkowego przechodzi w ciągłe. Po krótkotrwałym
zaniku napięcia jarznik jest wypełniony zdejonizowaną parą o dużym ciśnieniu, wobec czego ponowny zapłon jest możliwy dopiero po ostygnięciu jarznika. Jednakowoż lampę można zapalić natychmiast, jeśli przyłoży się do elektrod jarznika napięcie zapłonowe znacznie wyższe (od kilkunastu do kilkudziesięciu kilowoltów) niż potrzebne do zapłonu zimnej lampy. Aby wykonać odpowiednią izolację elektryczną, przystosowane do tego lampy (metalohalogenkowe) muszą być dwustronnie trzonkowane. Natomiast czas ponownego zapłonu nagrzanej lampy sodowej wysokoprężnej można skrócić poniżej minuty dzięki elektrodzie zapłonowej na ściance jarznika ceramicznego.
Widmo promieniowania wyładowania wytwarzanego na drodze elektroluminescencji we
wnętrzu jarznika może być:
bezpośrednio przydatne dla celów oświetleniowych, bez korekty za pomocą luminoforów; dotyczy to lamp sodowych nisko- i wysokoprężnych oraz lamp metalohalogenkowych,
przydatne dla celów oświetleniowych dopiero po przetworzeniu przez warstwę luminoforu na
wewnętrznej powierzchni jarznika lub bańki zewnętrznej, bo widmo promieniowania pierwotnego leży w zakresie nadfioletu w całości (świetlówki) lub w dużej części (lampy rtęciowe i rtęciowo-żarowe).
Ze względów zdrowotnych w przypadku wszelkich lamp ogranicza się emisję na zewnątrz
promieniowania nadfioletowego, jeśli jest ono wytwarzane w jarzniku. Zapewniają to wykonane ze
zwykłego szkła sodowo-wapniowego: jarznik świetlówki i zewnętrzna bańka osłaniająca jarznik
innych lamp, zwłaszcza lamp rtęciowych i rtęciowo-żarowych.
Luminofor przetwarza pochłaniane widmo absorpcyjne w emitowane widmo fluorescencyjne
zgodnie z regułą Stokesa (rys. 12): luminofor emituje liczbę kwantów nie większą niż pochłania, o
energii nie większej niż pochłania. Zatem liczba kwantów promieniowania fluorescencyjnego nflu
jest nie większa niż liczba kwantów promieniowania absorpcyjnego nabs, a energia kwantu promieniowania fluorescencyjnego h⋅νflu jest nie większa niż energia kwantu promieniowania absorpcyjnego h⋅νabs. Skuteczność przetwarzania promieniowania przez luminofor może być w prostych sy-
16
tuacjach zdefiniowana następująco:
ηk =
ηλ =
nflu
– sprawność kwantowa luminoforu,
nabs
h ⋅ν flu ν flu λabs
=
=
– sprawność falowa luminoforu,
h ⋅ν abs ν abs λlflu
ηe = η k ⋅η λ – sprawność energetyczna luminoforu.
nabs
h⋅νabs
Rys. 12. Ilustracja reguły Stokesa
nflu ≤ nabs
h⋅νflu ≤ h⋅νabs
Luminofor pobudzony promieniowaniem o dużej energii kwantów (np. nadfioletowym) emituje promieniowanie o mniejszej energii (np. widzialne), przesuwa widmo w kierunku fal dłuższych, zmieniając również jego charakter z liniowego w pasmowe. Decyduje o tym skład chemiczny cząsteczek luminoforu, ich struktura i procedura domieszkowania. Sprawność energetyczna luminoforu bezpośrednio wpływa na skuteczność świetlną źródła światła. Sprawność falowa, a zatem
i sprawność energetyczna, jest większa, jeśli obie linie widmowe, absorbowana i emitowana są
mniej odległe. Z tego powodu w świetlówce tak się ustala ciśnienie pary rtęci w warunkach znamionowych, by dominowała linia rezonansowa 253,7 nm, a nie druga linia rezonansowa rtęci 184,9
nm.
Zapłon lampy. W każdej z lamp wyładowczych stosuje się różne zabiegi umożliwiające bądź
tylko ułatwiające zapłon lampy zimnej. Do jarznika wszystkich lamp, poza gazem podstawowym,
wprowadza się gaz zapłonowy, tworzący mieszaninę Penninga o współczynniku Townsenda
znacznie większym niż dla każdego ze składników z osobna. Gazem zapłonowym jest jeden z gazów szlachetnych albo ich mieszanina. Rozwój lawiny Townsenda jest ułatwiony dzięki temu, że
potencjał poziomu metastabilnego gazu zapłonowego o dużym ciśnieniu cząstkowym jest nieco
wyższy od potencjału jonizacji gazu podstawowego o małym ciśnieniu cząstkowym. Atomy gazu
zapłonowego pełnią rolę krótkotrwałego zasobnika energii jonizacji atomów gazu podstawowego.
Drugim zabiegiem powszechnie stosowanym jest pokrywanie elektrod emiterem (pastą emisyjną) o
małej pracy wyjścia elektronów. W każdej z lamp stosuje się ponadto niektóre z poniższych zabiegów:
wytwarzanie napięcia zapłonowego statycznego lub impulsowego znacznie wyższego niż napięcie robocze,
umieszczenie elektrody pomocniczej tuż przy jednej z elektrod głównych, połączonej wielkooporowo z drugą elektrodą główną, dzięki czemu wyładowanie rozpoczyna się w niewielkiej
przestrzeni międzyelektrodowej,
wstępne podgrzewanie elektrod, by zmniejszyć pracę wyjścia elektronów.
Gaz buforowy. Wprowadzając do jarznika gaz buforowy można zmieniać w pożądany sposób przebieg charakterystyki napięciowo-prądowej lampy, na przykład uzyskać potrzebną moc
lampy przy korzystniejszej kombinacji wartości prądu i napięcia. Chodzi zwłaszcza o to, aby optymalny spadek napięcia w jarzniku podczas normalnej pracy był skorelowany z przewidywanym
napięciem znamionowym instalacji zasilającej. Ciśnienie cząstkowe gazu buforowego może być
17
znacznie większe niż ciśnienie cząstkowe podstawowego składnika. Dzięki temu w wielu lampach
ogranicza on znacznie rozpylanie emitera pokrywającego elektrody, czyli korzystnie wpływa na
trwałość lampy. Gaz buforowy może jednocześnie pełnić rolę gazu zapłonowego.
Tętnienie światła dotyka wszelkie lampy zasilane prądem przemiennym o częstotliwości sieciowej. W przypadku żarówek efekt jest znakomicie łagodzony dzięki bezwładności cieplnej żarnika, natomiast bezwładność zjawisk elektrycznych w słupie wyładowania jest do tego niewystarczająca. Więcej na ten temat można znaleźć w pierwszym artykule z cyklu Technika oświetleniowa
[6].
Stabilizacja prądu. Wyładowanie w gazie odznacza się opadającą charakterystyką napięciowo-prądową u-i, przedstawia jak gdyby ujemną rezystancję. Aby zapobiec zniszczeniu lampy,
trzeba ją przyłączać do sieci w szereg ze statecznikiem ograniczającym prąd, ustalającym punkt
pracy na charakterystyce u-i. Dla stabilnej pracy napięcie na zaciskach jarznika lampy powinno
wynosić około połowy napięcia sieciowego.
Gdyby statecznikiem był rezystor, wytracałby połowę pobieranej mocy i dwukrotnie obniżał
skuteczność świetlną układu. Zatem statecznik rezystancyjny jest używany wyjątkowo, w przypadku lampek tlących, zwłaszcza neonowych wskaźników napięcia. Z większości zastosowań lampki
tlące są zresztą wypierane przez diody elektroluminescencyjne.
W przypadku lamp wyładowczych zasilanych bezpośrednio napięciem sieciowym 50 Hz
stosuje się stateczniki reaktancyjne, na których wytraca się napięcie równe 0,86⋅Un, bo
0 ,86 2 + 0 ,52 U n = U n przy pominięciu strat mocy czynnej w stateczniku. Statecznikiem reaktancyj-
nym może być transformator rozproszeniowy, dławik nieliniowy (statecznik indukcyjny) albo kondensator (statecznik pojemnościowy). Lampy zasilane prądem dużej częstotliwości mają zasilacz
elektroniczny z wbudowanym układem stabilizacji prądu jarznika, tzw. statecznik elektroniczny.
Użycie statecznika indukcyjnego obniża do około 0,5 współczynnik mocy układu, co skłania
do wyposażania opraw w kondensatory równoległe do indywidualnej kompensacji mocy biernej.
We wszelkich statecznikach występują straty mocy obniżające skuteczność świetlną lampy liczoną łącznie z jej nieodzownym wyposażeniem. Dyrektywa 2000/55/EC [10], wprowadzona w
Polsce dopiero z dniem 7 lipca 2005 r. [11], określa największą dopuszczalną moc pobieraną przez
obwody świetlówek, źródeł uczestniczących w wielu krajach w ponad 50% w wytwarzaniu łącznej
ilości światła 1 .
a)
b)
THD = 11%
c)
THD = 48%
THD = 124%
Rys. 13. Wyniki rejestracji w supermarkecie oświetlonym lampami metalohalogenkowymi 400 W (na osi
rzędnych prąd w amperach). Przebieg w ciągu 40 ms prądu pobieranego przez: a) pojedynczą lampę bez
kondensatora; b) pojedynczą oprawę z lampą i kondensatorem do kompensacji równoległej; c) rozdzielnicę zasilającą grupę lamp.
1
Pojęcie objaśnione w pierwszym artykule z cyklu Technika oświetleniowa [6].
18
Odkształcenie prądu. Wyładowanie w jarzniku można odwzorować jako rezystancję nieliniową, a nieliniową charakterystykę u-i mają też powszechnie stosowane stateczniki indukcyjne i
elektroniczne. Z obydwu powodów prąd pobierany przez lampy wyładowcze jest odkształcony, a
stopień odkształcenia mogą znacznie, a nawet katastrofalnie zwiększyć instalowane w oprawach
kondensatory do poprawy współczynnika mocy (rys. 13). Przykładem może być obiekt, w którym
takie lampy stanowią główne obciążenie, zasilany z GPZ 110/15 kV zasilającego również stacje
trakcyjne z prostownikami 6-pulsowymi, które wprowadzają do sieci poprzedzającej znaczący
udział harmonicznych rzędów 5 i 7 oraz 11 i 13, zauważalnych w napięciu zasilającym innych odbiorców. Prąd w instalacji oświetleniowej jest silnie odkształcony, a systematycznie występują warunki, przy wzroście obciążenia trakcyjnego, kiedy płynie prąd 350 Hz zawierający niewiele mniejszą składową 50 Hz (rys. 13c). To sytuacja skrajna, ale rozpowszechnienie lamp wyładowczych i
innych odbiorników nieliniowych oznacza konieczność rozwiązywania trudnych problemów już
przy projektowaniu instalacji, a nie dopiero po jej oddaniu do użytku, kiedy jest za późno na rozwiązania radykalne i naprawdę skuteczne.
Zakłócenia radioelektryczne. Lampy wyładowcze, a zwłaszcza ich zasilacze bądź układy
zapłonowo-stabilizujące generują zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i mogą wymagać filtrów
przeciwzakłóceniowych, ekranowania bądź innych środków zapobiegawczych. Pochodzące z dobrych wytwórni elektroniczne stateczniki świetlówek (np. 40 kHz) generują znacznie słabsze zakłócenia niż tradycyjne układy 50 Hz z dławikiem i zapłonnikiem tlącym. Problem nabiera ostrości
w przypadku lamp zasilanych prądem o częstotliwości rzędu setek kiloherców (świetlówki Endura)
megaherców (lampy indukcyjne) i gigaherców (lampy siarkowe), mimo że zasilacze są tuż przy
lampie i długość obwodu dużej częstotliwości jest bardzo mała.
Wrażliwość na warunki instalowania. Lampy wyładowcze są znacznie wrażliwsze niż żarówki na odstępstwa od przewidywanych warunków instalowania, na przykład:
strumień świetlny zwykłej świetlówki znacznie spada w niskiej temperaturze otoczenia,
świetlówka cold-start przeznaczona do pracy w metalowej oprawie, ubocznie spełniającej rolę
wstęgi zapłonowej, nie zaświeca się w innej oprawie lub bez oprawy,
lampa metalohalogenkowa lub sodowa wysokoprężna niewłaściwie usytuowana względem odbłyśnika lub umieszczona w nieodpowiedniej oprawie, może nieustannie gasnąć i zapalać się co
kilka minut; gaśnie, kiedy nadmiernie wzrasta napięcie łuku wskutek zbyt silnego podgrzewania
jarznika promieniowaniem odbitym od odbłyśnika.
Ochrona środowiska. Zużyte lampy wyładowcze zagrażają człowiekowi i środowisku,
przede wszystkim ze względu na zawartą w nich rtęć (obecną nie tylko w lampach rtęciowych) i
luminofory. Zużyte lampy wyładowcze powinny być traktowane jako odpady chemicznie aktywne i
poddawane recyklingowi w odpowiednich zakładach.
Uwolnioną do środowiska rtęć bakterie, zwłaszcza w osadach dennych, przetwarzają w metylortęć, szczególnie toksyczną postać organiczną, poprzez łańcuch pokarmowy zagrażającą człowiekowi. O ile wchłanianie związków nieorganicznych rtęci z przewodu pokarmowego następuje w
niewielkim stopniu (kilkanaście procent), o tyle związków organicznych np. metylortęci w blisko
100%. Po wchłonięciu metylortęć poprzez krew doprowadzana jest do wszystkich tkanek organizmu i gromadzi się w nerkach, mózgu oraz wątrobie. Klasycznymi objawami zatruć metylortęcią są
zaburzenie czucia rąk i stóp, zaburzenia słuchu, wzroku, a nawet zaburzenia osobowości polegające
na zanikaniu uczuć wyższych.
Początkowo w świetlówkach liniowych dozowano kropelkę o średnicy 2 mm, czyli 56 mg
1
rtęci , po czym w rurach o średnicy 26 mm udało się zejść do 24 mg, a w świetlówkach kompakto1
Przed laty Rosjanie znacznie hojniej napełniali świetlówki, dozując nawet 100 mg.
19
wych – poniżej 10 mg. To niewiele, ale w jednym tylko kraju, w Niemczech, corocznie ładowano w
lampy ponad 2 tony rtęci. Dyrektywa RoHS [12, 13] wchodząca w życie 1 czerwca 2006 r. ogranicza zawartość rtęci w świetlówkach kompaktowych do 5 mg, a w innych do 5÷10 mg zależnie od
użytych luminoforów. Firma Philips wyprzedzająco informuje, że w wielu świetlówkach serii MASTER już ograniczyła zawartość rtęci do 2 mg. Wyroby spełniające wymagania dyrektywy mają
być odpowiednio oznaczane (rys. 14).
Rys. 14. Znaki zgodności z dyrektywą RoHS
Przed kilkunastu laty prasa alarmowała, że POLAM Rzeszów zgromadził na swoim wysypisku ok. 30 000 m3 stłuczki z wybrakowanych świetlówek, zawierającej około 1 tony rtęci. A przy
tym każda z podobnych wytwórni świetlówek zużywała rocznie ponad 30 ton luminoforów, z czego
część gubiła w najbliższym sąsiedztwie.
W roku 1994 Główny Urząd Ceł zakupił na biurowiec budynki po zakładach wytwórczych
lamp elektrycznych Polamp (dawniej im. Róży Luksemburg) w Warszawie. Transakcja została anulowana, bo naruszała prawo gospodarcze, ale rozstrzygającym argumentem było zagrożenie zdrowia pracowników GUC rtęcią zawartą w murach i innych elementach budynku.
Zaskakujące może się wydać następujące zestawienie. Nowoczesna świetlówka kompaktowa
15 W zawiera tylko 3 mg rtęci 1 , którą łatwo unieszkodliwić po zużyciu lampy. Równoważne żarówki 75 W rtęci nie zawierają, ale w ciągu 8000 h (trwałość wspomnianej świetlówki) zużywają
dodatkowo 480 kWh, co odpowiada emisji przez elektrownie węglowe dodatkowo ok. 18 mg rtęci,
a tej emisji i rozproszonej imisji zapobiec niełatwo. Spalanie węgla partycypuje w ponad 40% w
zanieczyszczeniu atmosfery rtęcią. Inaczej mówiąc, to żarówka bardziej zatruwa środowisko rtęcią
niż równoważna świetlówka kompaktowa.
4. Elektrodowe lampy fluorescencyjne (świetlówki)
4.1. Dwuetapowe wytwarzanie światła
Koncepcja lamp fluorescencyjnych, bliskich dzisiejszym świetlówkom liniowym, pojawiła
się około roku 1920, udane rozwiązania techniczne – około roku 1930, a na rynku lampy były dostępne od roku 1938. Od tego czasu następuje ich nieustanny rozwój i nadal są oczekiwane różne
udoskonalenia.
Lampy fluorescencyjne są niskoprężnymi lampami rtęciowymi, a zatem wykorzystują promieniowanie rezonansowe atomów rtęci emitowane przy przejściu ze stanu wzbudzenia atomu
bezpośrednio do stanu podstawowego. W atmosferze o ciśnieniu rzędu 1 Pa, w której są pomijalne
wzajemne oddziaływania atomów, mają one ściśle określone dyskretne poziomy energetyczne, jakie mogą osiągać w następstwie wzbudzenia po zderzeniu z elektronem (rys. 15). Zarówno wśród
poziomów energetycznych, jak i przejść między nimi, są bardziej i mniej prawdopodobne, a niektóre przejścia – naruszające reguły wyboru – są wzbronione. Na rys. 15 przedstawiono poziomy i
przejścia energetyczne o dużym prawdopodobieństwie występowania.
W atmosferze rozrzedzonej dominują przejścia rezonansowe, w przypadku rtęci – linie widmowe 184,9 nm oraz 253,7 nm, obie w zakresie nadfioletu UV-C, a więc lampa nieodzownie wy1
Z powłoką wewnętrzną zapobiegającą absorpcji rtęci przez szkło.
20
maga luminoforu. Aby skorzystać z większej sprawności falowej, trzeba wyeksponować linię widmową 253,7 nm i wytłumić linię 184,9 nm odpowiednio dobierając ciśnienie cząstkowe pary rtęci
(0,8÷1,3 Pa) oraz inne składniki atmosfery jarznika i ich parametry. W rezultacie bilans mocy w
słupie wyładowania świetlówki 40 W, zasilanej prądem 50 Hz, może przedstawiać się następująco:
– zderzenia sprężyste elektronów z atomami,
– zderzenia wzbudzające promieniowanie 253,7 nm,
– zderzenia wzbudzające promieniowanie o innej długości fali,
– zderzenia jonizacyjne (o energii ≥ 10,38 eV),
– moc w słupie wyładowania,
– straty mocy elektrodowe,
– moc całkowita pobierana przez jarznik.
eV
energia
jonizacji
10,38
λ =
8,8
nm
m
7
6
nm
405
54
m
61P1
m
n
365
6,68
57
7,71
1236
≈ 435,8 nm
7 ,71 − 4 ,87
7n
29
nm
8
n
313
energia wzbudzenia
10
6 ,1
9,2 W
21,3 W
2,0 W
0,3 W
razem 32,8 W
7,2 W
razem 40,0 W
5,43
63P1
4,87
4,66
4
λ =
2
0
1236
≈ 184 ,9 nm
6 ,68 − 0
λ =
1236
≈ 253,7 nm
4 ,87 − 0
poziom podstawowy
Rys. 15. Ważniejsze termy i ważniejsze przejścia atomu rtęci w atmosferze niskoprężnej
(linie widmowe ciągłe występują w zakresie widzialnym widma, linie przerywane w zakresie nadfioletu)
Trudno znacząco poprawić ten bilans mocy odnoszący się do wytwarzania w świetlówce
pierwotnego promieniowania nadfioletowego, widma liniowego 253,7 nm. W tym zakresie od kilkudziesięciu lat nie zdarzyło się nic przełomowego i na nic takiego się nie zanosi. Natomiast nieograniczone są możliwości komponowania luminoforów przetwarzających to promieniowanie absorpcyjne w promieniowanie fluorescencyjne w zakresie widzialnym. Produkcja luminoforów to
technologia najwyższej próby, porównywalna z technologią półprzewodników, jeżeli chodzi o dobór składników, stopnia ich czystości i procedur domieszkowania. Kolejne generacje luminoforów
różnią się parametrami barwowymi promieniowania fluorescencyjnego i sprawnością, rzutującą na
skuteczność świetlną lampy. Można oczekiwać dalszego postępu w tworzeniu nowych kompozycji
luminoforów.
21
Dzięki dużej skuteczności świetlnej (70 lm/W i więcej) oraz niskiej cenie świetlówki pozostają bezkonkurencyjnym źródłem światła w wielu zastosowaniach, zwłaszcza oświetlenia wnętrz.
Rys. 16. Przykładowe widmo świetlówek trójpasmowych
Gęstość widmowa egzytancji promienistej, w
przedziałach co 5 nm, odniesiona do natężenia
oświetlenia 1000 lx
Widmo fluorescencyjne z dominującymi trzema lub czterema pasmami w odpowiednio dobranych zakresach długości fal (rys. 16) pozwala uzyskać pożądane parametry barwowe światła. Na
przykład dla uzyskania światła białego o barwie zbliżonej do bieli równoenergetycznej (punkt E w
układzie xyz) nie jest bynajmniej konieczna lampa o widmie równoenergetycznym. Poza świetlówkami do ogólnych celów oświetleniowych są produkowane różne inne, np. świetlówki dekoracyjne
i świetlówki o widmach sprzyjających wegetacji określonych roślin.
Rys. 17. Obwód pojedynczej świetlówki ze statecznikiem
indukcyjnym
D – dławik (statecznik indukcyjny), C – kondensator do poprawy współczynnika mocy, Z – zapłonnik tlący
Najprostszy obwód pojedynczej świetlówki ze statecznikiem indukcyjnym jest przedstawiony
na rys. 17. Po załączeniu lampy płynie maleńki prąd w obwodzie: dławik D – elektroda E1 – zapłonnik Z - elektroda E2. Prawie całe napięcie sieciowe przypada na zapłonnik tlący (ang. glowstarter), tj. na małą lampę tlącą, w której rozpoczyna się wyładowanie. Jedna z elektrod zapłonnika
jest wykonana z termobimetalu i pod wpływem wydzielanego ciepła wygina się, aż do zetknięcia z
drugą elektrodą 1 . Od tej chwili w obwodzie zaczyna płynąć duży prąd (ok. 1,5⋅In) nagrzewający
elektrody świetlówki. Jednocześnie zapłonnik stygnie, bo jego elektrody są zwarte, i po paru sekundach elektroda termobimetalowa odgina się, przerywając obwód. Nagłe przerwanie prądu płynącego przez dławik wywołuje siłę elektromotoryczną samoindukcji; między nagrzanymi elektrodami świetlówki pojawia się przepięcie rzędu 1 kV zapoczątkowujące wyładowanie. Gdyby nie
doszło do zapłonu, cały ten proces powtarza się. Pojedyncza świetlówka ze statecznikiem indukcyjnym daje światło o tętnieniu [6] niedopuszczalnie dużym w wielu zastosowaniach.
1
Wielu elektryków mylnie sądzi, że w chwili załączenia świetlówki elektrody zapłonnika są zwarte.
22
Rys. 18. Układ DUO świetlówek zawierający gałąź indukcyjną (z lewej) oraz gałąź
pojemnościową (z prawej)
D – dławik, Cp – kondensator szeregowy,
Z - zapłonnik
Najbardziej rozpowszechnionym w Polsce rozwiązaniem ograniczającym tętnienie światła
świetlówek ze statecznikiem indukcyjnym jest układ antystroboskopowy DUO (rys. 18). Zawiera
dwie gałęzie (indukcyjną i pojemnościową) z dwiema świetlówkami, przez które płyną prądy przesunięte w fazie. Współczynnik tętnienia światła udaje się zmniejszyć ponad dwukrotnie. Reaktancja
kondensatora Cp jest dwukrotnie większa niż reaktancja każdego z dławików D. Gałąź indukcyjna
ma współczynnik mocy ok. 0,5ind, wobec tego kondensator Cp jest tak dobrany, aby gałąź pojemnościowa miała współczynnik mocy ok. 0,5poj i układ jako całość nie pobierał mocy biernej. Wypadkowa reaktancja równolegle połączonych stateczników jest równa zero i układ jest w stanie zbliżonym do rezonansu, co może stwarzać problemy w nieustalonych stanach pracy.
4.2. Szczególna wrażliwość na temperaturę otoczenia i częstość załączeń
W jarzniku występuje nasycona para rtęci, pozostająca w równowadze z fazą skondensowaną, przy czym jej prężność ma w danej temperaturze największą możliwą wartość, charakterystyczną dla danej substancji, w tym przypadku – rtęci. Tę prężność w ustalonym stanie cieplnym
determinuje temperatura najchłodniejszego miejsca jarznika 1 . Inaczej mówiąc – z rtęci, którą producent wprowadził z nadmiarem, odparowuje pewna ilość zależna od temperatury najchłodniejszego punktu jarznika. Ta temperatura decyduje o wartości ciśnienia cząstkowego pary rtęci w całym
jarzniku i o parametrach fotometrycznych świetlówki.
Rys. 19. Zależność strumienia świetlnego
świetlówek liniowych od temperatury otoczenia [7]
Zważywszy, że włączone świetlówki, zwłaszcza liniowe, mają niewielki ustalony przyrost
temperatury ponad temperaturę otoczenia, 20÷40 K zależnie od mocy znamionowej, można oczekiwać znacznego wpływu temperatury otoczenia na ich parametry fotometryczne (rys. 19, 20). To
pewna osobliwość świetlówek, niespotykana w przypadku innych lamp do ogólnych celów oświe1
Tak, jak prężność nasyconej pary wodnej we wnętrzu domowej chłodziarki determinuje temperatura parownika, a w
łazience bądź nawet w całym mieszkaniu – temperatura odkrytego rurociągu wody zimnej. Na parowniku i na rurze
kondensuje nadmiar pary wodnej.
23
tleniowych. Świetlówki w zwykłym wykonaniu mają największy strumień świetlny w temperaturze
otoczenia 20÷35°C, z czym związana jest określona temperatura najchłodniejszego punktu jarznika.
Strumień świetlny obniża się w niższej temperaturze bo maleje prężność pary rtęci i maleje moc
promieniowania 253,7 nm, natomiast w wyższej temperaturze zwykle maleje sprawność energetyczna luminoforu.
Rys. 20. Zależność strumienia świetlnego świetlówek kompaktowych rozmaicie zamontowanych od
temperatury otoczenia [8]
Uwaga: zmiana położenia świetlówki zmienia usytuowanie oraz temperaturę najchłodniejszego punktu
jarznika.
Silnie zarysowaną zależność strumienia świetlnego od temperatury otoczenia można osłabić
wpływając na skład atmosfery jarznika, odpowiednio dobierając amalgamat i/lub podnosząc ciśnienie gazu pomocniczego. Do pracy w niskiej temperaturze otoczenia są dostępne świetlówki emitujące maksymalny strumień świetlny w temperaturze otoczenia 0°C, np. świetlówki 58 W ThermoLL (firmy AURA) o dodatkowej izolacji cieplnej jarznika (rura osłonowa Ø38 mm na jarzniku
Ø26 mm); stosuje się też oprawy szczelne podgrzewane mocą traconą w stateczniku i innych elementach wyposażenia.
Jako gaz zapłonowy w dawnych świetlówkach Ø38 mm stosowano powszechnie argon. Od
roku 1978 nowe świetlówki Ø26 mm napełniano kryptonem, co przy zachowaniu parametrów fotometrycznych pozwalało zredukować pobór mocy o 10% (20 W → 18 W, 40 W → 36 W, 65 W →
58 W) i w tym stopniu zwiększyć skuteczność świetlną. Aktualnie używane są obydwa gazy, krypton zwłaszcza do świetlówek cold-start, odbywających zapłon bez wstępnego podgrzewania elektrod, kiedy lepiej unikać konieczności stosowania wysokiego napięcia zapłonowego.
Rys. 21. Trwałość świetlówek w zależności od
średniego czasu świecenia przypadającego na
jedno załączenie
Każde załączenie świetlówki oznacza dodatkowe rozpylanie emitera z elektrod, zwłaszcza
przy zapłonie lampy o niepodgrzewanych elektrodach. Objawia się to zależnością trwałości od częstości załączeń bądź od średniego czasu świecenia przypadającego na jedno załączenie (rys. 21)
silniejszą niż w przypadku innych lamp wyładowczych. W świetlówkach sprzed 40 lat przy jednym
24
załączeniu elektrody zużywały się w takim stopniu, jak w czasie 2 h ciągłej pracy. Z rys. 21 łatwo
wydedukować, że w świetlówkach liniowych, których wykres dotyczy, przy jednym załączeniu
lampa zużywa się, jak podczas 80 min nieprzerwanego świecenia. Wpływ ten ogranicza się doskonaląc skład chemiczny i strukturę emiterów, konfigurację elektrod, zastępując argon kryptonem,
zastępując zapłonniki tlące zapłonnikami elektronicznymi i wreszcie – zastępując tradycyjne stateczniki statecznikami elektronicznymi.
4.3. Elektronizacja wyposażenia obwodu świetlówki
Kolejnym impulsem w rozwoju świetlówek jest elektronizacja wyposażenia ich obwodów:
zapłonników, stateczników i regulatorów strumienia świetlnego. Pierwszym krokiem było udoskonalenie tradycyjnego obwodu świetlówki poprzez zastąpienie przypadkowo działającego zapłonnika tlącego precyzyjnym zapłonnikiem elektronicznym, który czas wstępnego podgrzewania elektrod ustala ściśle na 1,5 s, bo jego licznik cyfrowy zlicza 75 okresów przepływu prądu, a przepięcie
zapłonowe generuje na stałym poziomie 1300 V. Lampa zapala się niezawodnie przy pierwszym
impulsie zapłonowym, a jej trwałość zwiększa się dzięki wyeliminowaniu wielokrotnych prób zapłonu.
Rys. 22. Uproszczony schemat statecznika elektronicznego świetlówek
Przełomem było wprowadzenie statecznika elektronicznego (rys. 22), czyli zasilacza świetlówek z prądem wyjściowym o częstotliwości kilkudziesięciu kiloherców (25÷100 kHz), z wbudowanymi układami zapewniającymi zapłon, stabilizację prądu i ew. regulację strumienia świetlnego. Sprawą decydującą jest wybór takiej częstotliwości prądu, aby dało się wykorzystać naturalną,
znikomą bezwładność elektrycznego i cieplnego stanu wyładowania. Jak wynika z rys. 23, zwiększenie częstotliwości z 50 Hz do 40 kHz, czyli 800-krotne skrócenie czasu półokresu zmienności
prądu, sprawia, że rezystancja słupa wyładowania jest niemal stała, o czym świadczy sinusoidalny
przebieg prądu. Oznacza to, że wyładowanie w jarzniku przestaje być elementem nieliniowym. Co
ważniejsze, udaje się zapobiec dostrzegalnej dejonizacji kolumny wyładowania przy naturalnym
przejściu prądu przez zero, o czym świadczy zarówno stała koncentracja elektronów, jak i – atomów rtęci wzbudzonych do poziomu 63P1, które są źródłem promieniowania o długości fali 253,7
nm. Świetlówka 40 kHz jest więc źródłem światła nietętniącego.
25
Koncentracja
elektronów
Prąd
Koncentracja
wzbudzonych atomów rtęci
63P1 (253,7 nm)
Świetlówka 40 kHz
półokres trwa 12,5 μs
Świetlówka 50 Hz
półokres trwa 10 ms
Natężenie pola
elektrycznego
Rys. 23. Porównanie przebiegów w czasie jednego półokresu zmienności prądu charakterystycznych
wielkości w świetlówkach zasilanych prądem 50 Hz i prądem 40 kHz [3]
Świetlówka 40 kHz ma wiele innych zalet. Skoro po każdym naturalnym przejściu prądu
przez zero nie trzeba odbudowywać chmury nośników ładunku, to straty mocy w jarzniku maleją co
najmniej o 10%, głównie dzięki obniżeniu strat katodowych. Przy tak dużej częstotliwości do stabilizacji prądu wystarczają maleńkie dławiki powietrzne i straty mocy w stricto sensu stateczniku
maleją co najmniej o 35%. W rezultacie skuteczność świetlna odniesiona do lampy z wyposażeniem zwiększa się co najmniej o kilkanaście procent.
Rys. 24. Przebieg prądu po załączeniu oprawy dwuświetlówkowej 2×36 W, 220 V ze statecznikiem
elektronicznym (prąd znamionowy 0,34 Arms, prąd załączeniowy 3,04 Amax)
Stabilne, powtarzalne warunki zapłonu ograniczają zużycie emitera, dzięki czemu trwałość
świetlówki zwiększa się co najmniej o 50% i szerszy jest dopuszczalny zakres zmienności temperatury otoczenia. Mniejsza jest wrażliwość na odchylenia napięcia, a kondensator wygładzający za
prostownikiem sprawia, że świetlówka nie gaśnie w razie krótkotrwałego zaniku bądź głębokiego
zapadu napięcia. U kresu trwałości zasilacz może odłączać zużytą świetlówkę, która nie migocze i
nie zużywa energii.
26
Stateczniki elektroniczne mogą być stosowane przy wszelkich świetlówkach: liniowych, kołowych i kompaktowych, ale określony typ statecznika może być powiązany z określonym typem
świetlówek; chodzi nie tylko o napięcie znamionowe i moc, co oczywiste, ale również o rodzaj gazu pomocniczego (argon czy krypton) i tryb wstępnego podgrzewania elektrod bądź jego brak.
Z punktu widzenia instalacji zasilającej świetlówki ze statecznikiem elektronicznym są odbiornikami kłopotliwymi. W chwili załączania występuje znaczny impuls prądu (rys. 24) związany
z ładowaniem kondensatora wygładzającego w zasilaczu (filtru napięcia na rys. 22), o wartości (np.
10⋅In) zależnej również od impedancji instalacji poprzedzającej; prąd ten powinny przetrzymywać
zabezpieczenia nadprądowe obwodu.
Rys. 25. Przebieg w ciągu jednego półokresu prądu pobieranego przez grupę 10 świetlówek kompaktowych
15 W pochodzących z różnych wytwórni. Zasilanie z zasilacza o napięciu wyjściowym niemal sinusoidalnym
(THD = 0,5%)
Prąd pobierany podczas normalnej pracy jest silnie odkształcony (rys. 24, 25, 26) i to w stopniu trudnym do jednoznacznego określenia. Rysunki przekonują, że ta sama grupa świetlówek pobiera prąd o różnym przebiegu w zależności od warunków zasilania, zwłaszcza od stopnia odkształcenia napięcia zasilającego (rys. 25 i 26). Ponadto pochodzące z różnych wytwórni świetlówki o
identycznych danych znamionowych i w tych samych warunkach zasilania pobierają prąd o wyraźnie odmiennym przebiegu.
Rys. 26. Przebieg w ciągu jednego półokresu prądu pobieranego przez 10 świetlówek kompaktowych 15 W
pochodzących z różnych wytwórni. Zasilanie z instalacji uniwersytetu wiedeńskiego (THD = 3,6%)
Stopień odkształcenia prądu można charakteryzować w różny sposób; wskaźnikiem syntetycznym przydatnym przy projektowaniu instalacji jest współczynnik szczytu (ang. crest factor, CF
albo current crest factor, CCF), który dla świetlówek kompaktowych na ogół zawiera się w przedziale 3,0÷3,3. Podawane przez niektóre wytwórnie wartości mniejsze niż 1,7, a nawet mniejsze niż
27
1,5, są błędne. Prawdopodobnie wynikają one z mylnej interpretacji pojęcia współczynnika szczytu:
przyjmują za podstawę wartość skuteczną prądu obliczoną tylko dla części półokresu, w której prąd
ma wartość niezerową.
4.4. Świetlówki kompaktowe
Świetlówki kompaktowe powstały jako energooszczędne zamienniki żarówek i pierwsze odmiany wiernie imitowały kształt żarówek, co miało ułatwiać ich zastępowalność w różnych oprawach i zmylić czujność osób sceptycznie nastawionych do nowości. Rozwinęły się następnie liczne
odmiany, również o innych kształtach, zespolone bądź nie ze statecznikiem.
Rys. 27. Bill Clinton przekonujący Amerykanów do korzystania z energooszczędnych źródeł światła
Świetlówka kompaktowa może mieć tradycyjny statecznik w postaci dławika, co ma tendencję zanikającą, bądź statecznik elektroniczny. Ta zasadnicza różnica w zasadzie działania i w parametrach użytkowych nie jest należycie eksponowana w polskich katalogach i ulotkach reklamowych, chociaż wystarczy świetlówkę wziąć do ręki, aby się zorientować, o którą chodzi, a czasem
wystarczy spojrzeć. Świetlówka ze statecznikiem indukcyjnym jest nieco większa i znacznie cięższa. Skuteczność świetlna jest zbliżona do 50 lm/W a w przypadku statecznika elektronicznego i
świetlówek większej mocy osiąga 60÷85 lm/W.
Proste zastępowanie żarówek świetlówkami o mocy 5-krotnie mniejszej, jak to zalecają ich
wytwórcy, nieraz kończy się rozczarowaniem. Powody są rozmaite, np. oprawa nieprzystosowana
pod względem rozsyłu światła, zbyt zimne światło wymagające stosowania większego natężenia
oświetlenia.
Upowszechnienie energooszczędnych źródeł światła, w tym świetlówek kompaktowych, to
nie tylko problem pojedynczych użytkowników oświetlenia. To ważny ogólnokrajowy problem
gospodarczy, a nawet polityczny. Oświetlenie elektryczne do dziedzina użytkowania energii elektrycznej kryjąca największe procentowe możliwości jej oszczędzania. Polityk nie musi być elektrykiem, aby to zrozumieć, jeżeli poważnie traktuje gospodarczą przyszłość kraju. Pozytywnym przykładem jest Bill Clinton, który serio traktował swoje czołowe hasło wyborcze: Gospodarka, głupcze! Nie zawahał się z oficjalnej mównicy prezydenta supermocarstwa przekonywać obywateli do
sprawy (rys. 27), która jest poniżej godności hołoty politycznej w krajach żebraczych.
4.5. Podatność na odchylenia napięcia i na ściemnianie
Zależność parametrów lamp wyładowczych od odchyleń napięcia jest bardziej złożona niż w
28
przypadku żarówek i nawet dla lamp o określonej zasadzie działania charakteryzuje się szerokim
pasmem rozrzutu. Znaczący wpływ mają: nieliniowość charakterystyki statecznika, skład atmosfery
jarznika, zależność sprawności luminoforów od ich temperatury i od widma promieniowania pierwotnego. Podawane wykresy (rys. 28, 29) na ogół pomijają wtórny skutek zmian poziomu napięcia
– ich wpływ na stopień odkształcenia prądu THD, na zawartość poszczególnych harmonicznych i
następstwa tego.
Rys. 28. Wpływ względnej wartości napięcia
zasilającego na względną wartość parametrów
świetlówek 50 Hz ze statecznikiem indukcyjnym
[7]
Rys. 29. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego na względną wartość parametrów świetlówek
kompaktowych ze statecznikiem elektronicznym [7]
P – moc pobierana, I – prąd pobierany, UL – spadek napięcia w jarzniku, Φ – strumień świetlny, η – skuteczność
świetlna, L – trwałość
Świetlówki mało różnią się między sobą składem atmosfery jarznika, obserwowane różnice
zachowań przy odchyleniach napięcia wynikają przede wszystkim z rodzaju statecznika (rys. 28 i
29) i składu luminoforów. Zwraca uwagę nieznaczna zmienność skuteczności świetlnej niektórych
świetlówek kompaktowych (rys. 29), co oznacza, że wpływ odchyleń napięcia na moc pobieraną i
na strumień świetlny jest niemal jednakowy.
Rys. 30. Układ ściemniania świetlówki 50 Hz
z transformatorem do stałego podgrzewania
elektrod
Z wykresów wynika też, że napięcie przyłożone do jarznika zmienia się w stopniu znacznie
mniejszym niż napięcie sieciowe. Widać tu korzystny wpływ obecności statecznika, zwłaszcza statecznika elektronicznego; poza innymi funkcjami niejako stabilizuje on napięcie na zaciskach samego źródła światła.
29
W przypadku świetlówek ściemnianie jest o tyle trudne, że przy każdym naturalnym przejściu prądu przez zero, a tym bardziej przy dłuższej pauzie bezprądowej, wyładowanie gaśnie i musi
być na nowo zapoczątkowane. Przystosowanie do ściemniania świetlówek zasilanych prądem
50 Hz polega na stałym podgrzewaniu elektrod, co ułatwia ponowny zapłon (rys. 30). Mogą się bez
tego obyć świetlówki ze statecznikiem elektronicznym, bo np. przy 40 kHz półokres wynosi tylko
12,5 μs, a czas blokowania przewodzenia przy sterowaniu fazowym – znacznie mniej. Jeżeli kąt
wysterowania ściemniacza jest kontrolowany przez mikroprocesor, to działanie układu jest precyzyjne, niezależnie od nieuniknionych odchyleń częstotliwości napięcia wyjściowego przekształtnika. Ściemnianie może odbywać się bez zwiększenia stopnia odkształcenia pobieranego prądu.
5. Bezelektrodowe lampy fluorescencyjne
Bezelektrodowe lampy fluorescencyjne były frapującym pomysłem na długo przed ich realizacją na skalę przemysłową. Istotą pomysłu jest wyładowanie w jarzniku wzdłuż zamkniętych pętli
generowane przez wzbudnik lub wzbudniki zasilane prądem o wysokiej częstotliwości na podobnej
zasadzie, jak w urządzeniach grzejnych indukcyjnych. Skoro głównym czynnikiem ograniczającym
trwałość lamp fluorescencyjnych jest zużywanie się elektrod, można ją znacznie zwiększyć eliminując elektrody. Trwałością lampy bezelektrodowej jest mniejsza z dwóch następujących wartości:
albo trwałość użytkowa, czyli czas pracy do czasu, kiedy strumień świetlny obniży się do poziomu 70% wartości znamionowej,
albo trwałość absolutna, czyli czas do chwili uszkodzenia elektronicznego zasilacza lub innego
istotnego składnika wyposażenia.
Zwykle trwałość użytkowa jest mniejsza, dla różnych lamp bezelektrodowych wynosi od
10 000 h do 60 000 h. Głównym atutem większości lamp bezelektrodowych jest bezkonkurencyjna
trwałość. Są zatem predestynowane do zastosowań, gdzie jest utrudniony dostęp do lamp przy ich
wymianie (wysokie pomieszczenia) i/lub gdzie ważna jest niezawodność działania lamp (sygnalizacja, oświetlenie przeszkodowe). Dzięki wysokiej częstotliwości prądu wyładowania łatwe jest
ściemnianie lamp, chociaż na razie wytwórcy nie oferują takiej opcji. Układy regulacji wchodzące
w skład zasilaczy kompensują wpływ odchyleń napięcia zasilającego i parametry fotometryczne
nieznacznie się zmieniają przy zmianach napięcia zasilania na przykład w przedziale 185÷255 V.
a)
b)
Rys. 31. Lampa indukcyjna QL: a) główne elementy; b) lampa w oprawie przemysłowej
A – bańka pokryta luminoforem, B – wzbudnik, C – zasilacz 2,65 MHz
Pierwsze lampy indukcyjne wprowadziły na rynek w roku 1991 dwie firmy: Matsushita Electric Works oraz Philips. Marzenie o „wiecznej lampie” było tak ujmujące, że Japończycy swoją
lampę nazwali Everlight. Wybrali częstotliwość zasilania jarznika 13,56 MHz, uzyskując skuteczność świetlną 37 lm/W i trwałość 40 000 h.
30
Konkurencyjne lampy indukcyjne QL firmy Philips (rys. 31), wykorzystujące częstotliwość
2,65 MHz ±10%, były i nadal są najbardziej znanymi i najbardziej rozpowszechnionymi bezelektrodowymi lampami fluorescencyjnymi. Jarznik jest bańką o kształcie zwykłej żarówki i ma pośrodku wzbudnik, rodzaj anteny ferrytowej z cewką połączoną z zasilaczem za pomocą przewodu
współosiowego o ściśle określonej długości (np. 40 cm), której nie wolno zmienić pod groźbą rozstrojenia układu. Wokół wzbudnika po liniach kołowych odbywa się wyładowanie.
Lampa wykorzystuje promieniowanie rezonansowe rtęci z wyeksponowaniem linii 253,7 nm
(rys. 15), jak świetlówka. Przy tej samej mocy ma jednak znacznie mniejsze wymiary, większą objętościową gęstość mocy, wobec czego osiąga wyższą temperaturę roboczą. Aby rozświecanie do
pełnego strumienia świetlnego trwało kilka sekund, a nie wiele minut, aż do osiągnięcia ustalonego
stanu cieplnego, wprowadza się do jarznika dwa różne amalgamaty: podstawowy (Bi In/Hg) w
stopce lampy, gdzie sytuuje się najchłodniejszy punkt jarznika w czasie normalnej pracy i pomocniczy tuż poniżej strefy wyładowania, niedaleko bańki lampy, czyli najchłodniejszego punktu jarznika podczas zapłonu. Dzięki temu, mimo nieustalonych warunków cieplnych i przemieszczania się
punktu najchłodniejszego, już kilka sekund po załączeniu powstaje i utrzymuje się koncentracja
wzbudzonych atomów rtęci na poziomie zbliżonym do ustalonego. Na parametry fotometryczne
lampy wpływa temperatura otoczenia, położenie pracy lampy i rodzaj oprawy. Strumień świetlny
ma jednak wartość nie mniejszą niż 0,85⋅Φn przy zmianach temperatury amalgamatu podstawowego w granicach 50÷125°C.
Dostępne są aktualnie lampy o mocy 55 W, 85 W i 165 W z trzema odmianami luminoforów
o temperaturze barwowej światła 2700 K, 3000 K i 4000 K, przy ogólnym wskaźniku oddawania
barw Ra ≥ 80. Widmo jest zbliżone do widma świetlówek z luminoforem trójpasmowym (rys. 16).
Skuteczność świetlna zależnie od wykonania wynosi od 64 lm/W do 74 lm/W. Odkształcenie pobieranego prądu jest nieznaczne. Trwałość użytkowa osiąga 60 000 h.
Rys. 32. Bezelektrodowa lampa fluorescencyjna ENDURA o wzbudnikach zewnętrznych
Częstotliwość 250 kHz, stosunkowo niewielką, firma Osram wykorzystuje w bezelektrodowych lampach fluorescencyjnych Endura, które pojawiły się w roku 1993. Przy tej częstotliwości
jarznik i zasilacz mogą być oddalone od siebie nawet o 20 m. Jarznik w postaci okrągłej rury wygiętej w zamknięty wydłużony prostokąt ma dwa wzbudniki zewnętrzne nałożone na krótszych
bokach jarznika (rys. 32). Są dostępne trzy wielkości:
31
70 W
100 W
150 W
6500 lm
8000 lm
12 000 lm
93 lm/W
80 lm/W
80 lm/W
każda w dwóch wersjach: o świetle ciepłobiałym i świetle zimnobiałym, co daje sześć różnych
wykonań. Mają ogólny wskaźnik oddawania barw Ra > 80. Lampy wykazują małą wrażliwość na
zmiany temperatury otoczenia, strumień świetlny o wartości co najmniej 95% znamionowego zachowują przy zmianach temperatury jarznika w szerokich granicach od 55°C do 125°C. Można
liczyć na niezawodny zapłon w niskiej temperaturze otoczenia do – 40°C. Jak wszystkie lampy z
zasilaczem zawierającym pośredniczący obwód prądu stałego, w razie potrzeby mogą być zasilane
z instalacji prądu stałego.
Zminiaturyzowaną wersję Endury z kołowym jarznikiem, o mocy 40 W, zespoloną z zasilaczem 250 kHz i zaopatrzoną w trzonek z gwintem E27, oznaczoną jako Saturn 2, produkuje firma
Hongyuan z Szanghaju.
b)
a)
Rys. 33. Lampa indukcyjna GENURA: a) wygląd; b) budowa
W roku 1994 pojawiły się lampy indukcyjne R80 Genura firmy General Electric, różniące się
od lamp QL firmy Philips przede wszystkim tym, że stanowią konstrukcję zespoloną z zasilaczem
(rys. 33). Lampa o mocy 23 W wraz z zespolonym zasilaczem 2,5 MHz i jarznikiem w postaci
owalnej reflektorowej bańki stanowi całość na trzonku E27; można ją wkręcić w miejsce żarówki.
Skuteczność świetlna wynosi 48 lm/W, a trwałość użytkowa 10 000÷15 000 godzin.
Od roku 2000 kolejne wersje różnych lamp indukcyjnych wychodzą z firm japońskich i chińskich.
6. Bezelektrodowe lampy siarkowe
Lampa siarkowa (ang. sulfur lamp) jest lampą bezelektrodową wykorzystującą wyładowanie
w gazie w zakresie mikrofalowym. Pomysł M. Ury’ego i Ch. Wooda z lat 80. XX wieku doczekał
się prototypowej realizacji w roku 1994 w firmie Fusion Lighting (USA).
Rys. 34. Jarznik lampy siarkowej
32
Jarznik o bańce kwarcowej wielkości piłki golfowej na długim trzpieniu (rys. 34), zawierający siarkę i argon, jest poddany działaniu fali elektromagnetycznej o częstotliwości 2,45 GHz wytwarzanej przez magnetron, jak w kuchni mikrofalowej. Wzbudzony gaz tak silnie nagrzewa siarkę,
że tworzy ona obłok plazmy świecącej jaskrawym białym światłem. Plazma siarkowa zawiera
głównie cząsteczki S2, świeci dzięki wzbudzaniu cząsteczek dwuatomowych w atmosferze o znacznym ciśnieniu (0,5 MPa) i dzięki temu widmo promieniowania jest ciągłe. Co więcej, jest zbliżone
do widma światła dziennego (rys. 35), a udział nadfioletu i podczerwieni jest znikomy.
Rys. 35. Widmo lampy siarkowej [2]
Silnie nagrzewający się jarznik wymaga chłodzenia wymuszonego, musi być wprawiony w
ruch obrotowy i owiewany strumieniem powietrza (rys. 36). Budowa kompletnej lampy jest tak
skomplikowana, że jest zupełnie nieopłacalna przy małej mocy jednostkowej. Wykonania prototypowe miały moce 1,0÷5,9 kW. Są to lampy do oświetlania dużych powierzchni bezpośrednio albo
za pośrednictwem rur świecących.
Rys. 36. Budowa lampy siarkowej [9]
Jarznik praktycznie nie zużywa się, bo materiały wchodzące w jego skład nie reagują ze sobą.
Strumień świetlny jest stabilny w czasie, trwałość samego źródła światła ocenia się na ponad
60 000 h, ale trwałość magnetronu nie przekracza 15 000÷20 000 h. Przezornie nie wspomina się o
trwałości mechanizmu obrotu jarznika.
Czas zapłonu lampy jest rzędu sekund, nawet w niskiej temperaturze otoczenia. Ściemnianie
jest możliwe do poziomu 20%, ale na razie wytwórcy nie oferowali takiej możliwości. Lampa o
mocy 5,9 kW ma skuteczność świetlną 80 lm/W, temperaturę barwową najbliższą 6000 K i wskaźnik oddawania barw Ra = 79.
Są w świecie nieliczne instalacje prototypowe. W Waszyngtonie pojawiły się instalacje rur
33
świecących światłem lamp siarkowych w National Air and Space Museum: trzy długie rury świecące, każda naświetlana jednostronnie przez lampę siarkową, zainstalowano w miejsce 94 lamp metalohalogenkowych. Dwie lampy zainstalowano przy wejściu szpitala uniwersyteckiego w Lund w
Szwecji. W krajach skandynawskich objawiło się największe zainteresowanie lampami siarkowymi,
zapewne z tęsknoty za światłem zbliżonym do słonecznego, dostępnym przez cały rok.
Dalsze losy lamp siarkowych są niepewne. Lampy są drogie, mają skomplikowaną budowę,
zawierają części ruchome obniżające trwałość i niezawodność. Nie do końca są rozwiązane problemy technologiczne i problemy kompatybilności elektromagnetycznej. Po wydaniu na badania
ponad 90 mln USD firma Fusion Lighting upadła, a patent przejęły firmy LG Group i Samsung.
7. Lampy rtęciowe i rtęciowo-żarowe
Wysokoprężne lampy rtęciowe (rys. 34) są najstarszymi i najprostszymi lampami wysokoprężnymi, produkowanymi w świecie od około 1930 roku (w Polsce od 1961 r.). Zasada działania
jest prosta, technologia od dawna opanowana, a możliwości rozwojowe niewielkie, by nie powiedzieć żadne.
Rys. 37. Budowa wysokoprężnej lampy rtęciowej do ogólnych celów oświetleniowych
W lampach do ogólnych celów oświetleniowych wyładowanie odbywa się w nienasyconej
parze rtęci o ciśnieniu 0,2÷1,5 MPa, w temperaturze 500÷750°C, w miejscowej równowadze termodynamicznej; w ustalonych warunkach pracy ciśnienie w jarzniku jest proporcjonalne do temperatury bezwzględnej.
W porównaniu z sytuacją w parze rtęci o niskim ciśnieniu (rys. 15), w miarę zwiększania ciśnienia poszczególne dyskretne poziomy wzbudzenia atomów rtęci rozmywają się, a w widmie
promieniowania coraz bardziej dominują wyższe przejścia energetyczne. Zanikają linie rezonansowe, bo odpowiadające im kwanty promieniowania są z najwyższym prawdopodobieństwem pochłaniane przez atomy niewzbudzone. W widmie wyładowania w jarzniku dominują pojedyncze
linie widmowe wynikłe z wyższych przejść energetycznych 248÷365 nm (nadfiolet), 404,7/407,8
nm (barwa fioletowa), 435,8 nm (barwa niebieska), 546,1 nm (barwa zielona) i 577/579,1 nm (barwa żółta). Zwraca uwagę brak promieniowania o długości fali λ > 580 nm (barwa pomarańczowa i
czerwona).
Bańka zewnętrzna rtęciówki jest pokryta luminoforem przetwarzającym promieniowanie nadfioletowe i korygującym widmo promieniowania w zakresie widzialnym. Stosuje się specjalne luminofory (zawierające krystaliczny wanadian itru aktywowany europem Eu) pozwalające zwiększyć w widmie zawartość czerwieni c rozumianą jako:
34
780
∫ F V dλ
eλ λ
c=
=
600
780
∫ F V dλ
Φ600 ÷ 780nm
Φ380 ÷ 780 nm
eλ λ
380
Nawet w sytuacjach, gdy rozróżnianie barw nie jest ważne, pożądana jest zawartość czerwieni w widmie c ≥ 0,05 (5%). Dla porównania w świetle żarówki c = 0,30.
180%
160%
1
140%
120%
Rys. 38. Przebieg prądu pobieranego (1)
i strumienia świetlnego (2) podczas rozświecania lampy rtęciowej wysokoprężnej
(wartości względne odniesione do znamionowych)
100%
80%
2
60%
40%
20%
0%
1
2
3
4
5
6
czas [min]
Zapłon lampy zimnej trwa 3÷5 min i towarzyszy mu pobór zwiększonego prądu (1,5÷1,6)⋅In,
co należy uwzględnić przy doborze przewodów i zabezpieczeń obwodu zasilającego grupę lamp
rtęciowych (rys. 38). Ponowny zapłon po krótkotrwałym zaniku napięcia trwa jeszcze dłużej, bo
lampa musi ostygnąć przed wznowieniem wyładowania.
a)
b)
St
Uz
C
St
C
Rys. 39. Obwody lamp wyładowczych o różnym sposobie kompensacji mocy biernej: a) układ o kompensacji równoległej wykazujący duży impulsowy prąd załączeniowy; b) układ o kompensacji szeregowej nie wykazujący impulsowego prądu załączeniowego
C– kondensator, St – statecznik, Uz – układ zapłonowy
Obwody lamp wyładowczych ze statecznikiem indukcyjnym pobierają znaczną moc bierną,
ich naturalny współczynnik mocy jest rzędu 0,5. Ten pobór mocy biernej na ogół ogranicza się poprzez indywidualną kompensację mocy biernej, tzn. instalowanie kondensatora w każdej oprawie
oświetleniowej. Zależnie od sposobu przyłączenia kondensatora (rys. 39) zachodzi:
Kompensacja równoległa z kondensatorem przy zaciskach wejściowych oprawy przyłączonym
na pełne napięcie sieciowe. Załączanie oprawy oznacza również załączenie kondensatora, czemu
towarzyszy duży impulsowy prąd załaczeniowy (rys. 40). Tak jest w obwodach z pojedynczym
dławikiem o dwóch końcówkach: w obwodach pojedynczych świetlówek, rtęciówek wysokoprężnych i wielu sodówek wysokoprężnych.
Kompensacja szeregowa z kondensatorem włączanym szeregowo z indukcyjnością ograniczającą prąd załączeniowy. Przy załączaniu oprawy unika się dużego prądu załączeniowego. Tak
bywa w obwodach z dławikami wielozaczepowymi: w obwodach niektórych lamp sodowych ni35
skoprężnych i lamp metalohalogenkowych.
Rys. 40. Impulsowy prąd załączeniowy lampy rtęciowej wysokoprężnej LRF 125 W z kondensatorem
30 μF o układzie połączeń, jak na rys. 39a
Podziałka czasu 100 μs/działkę
Wartość szczytowa impulsu 67 A
Całka Joule’a impulsu 0,22 A2s
Własności barwowe światła lamp rtęciowych wysokoprężnych są mierne; ze względu na
ogólny wskaźnik oddawania barw Ra od 36 do 60 przy temperaturze barwowej 3400÷4200 K lampy
te nie nadają się do oświetlania wnętrz, gdzie stale przebywają ludzie. Pozostaje oświetlenie mniej
ruchliwych ulic oraz oświetlenie terenów zielonych, których barwę to światło uwypukla.
Promieniowanie nadfioletowe w razie stłuczenia zewnętrznej bańki rtęciówki stanowi duże
zagrożenie dla człowieka. W miarę wzrostu dawki promieniowania możliwe są: zapalenie spojówek, oparzenia skóry i nowotwór skóry. W USA od roku 1981 Bureau of Radiological Health wymaga takiego rozwiązania konstrukcyjnego lampy, które w razie stłuczenia bańki zapobiegałoby
emisji nadfioletu, np. powodując odłączenie lampy spod napięcia.
Lampa rtęciowo-żarowa jest lampą rtęciową wysokoprężną, która zamiast zewnętrznego
statecznika (indukcyjnego) ma wewnętrzny statecznik rezystancyjny w postaci żarnika w przestrzeni między jarznikiem a bańką zewnętrzną. Zadaniem żarnika jest uzupełnienie widma w zakresie fal
dłuższych (światło pomarańczowe i czerwone), których brakuje samej rtęciówce. Konsekwencje
obecności żarnika są różnorakie:
Lampę rtęciowo-żarową można wkręcić w miejsce żarówki; przy tej samej mocy uzyskuje się
strumień świetlny o 20÷50% większy, ale mniejszy niż w przypadku zwykłej rtęciówki.
Zapłon lampy zimnej jest natychmiastowy; po załączeniu duży prąd płynący w szeregowym
układzie żarnik–jarznik sprawia, że strumień świetlny jest większy niż ustalony. Zarazem żarnik
ogrzewa jarznik i skraca do 2÷3 min czas jego rozgrzewu do chwili osiągnięcia ustalonych parametrów. Prąd załączeniowy jest mniejszy niż w zwykłej rtęciówce: ok. 1,3⋅In zamiast 1,6⋅In.
Ponowny zapłon lampy nagrzanej wymaga uprzedniego ostygnięcia jarznika, który blokuje
przewodzenie, jak w każdej lampie wysokoprężnej,
Bezwładność cieplna żarnika sprawia, że współczynnik tętnienia światła jest mniejszy.
Lampa jest bardziej wrażliwa na odchylenia napięcia zasilającego.
W razie stłuczenia bańki zewnętrznej lampa nie zagraża emisją nadfioletu, bo po wniknięciu do
niej powietrza natychmiast przepala się żarnik i czynna lampa gaśnie.
Ze względu na montaż żarnika produkcję lamp rtęciowo-żarowych, podobnie jak produkcję
żarówek, trudno w pełni zautomatyzować. Niektóre firmy oświetleniowe unikają tej produkcji, inne
lokują ją w krajach o taniej sile roboczej skłonnej przez kilka godzin dziennie pęsetą precyzyjnie
układać żarniki w podajniku automatu do montażu lamp. Zważywszy, że lampy rtęciowo-żarowe
mają własności barwowe światła nieprzydatne we wnętrzach o stałym przebywaniu ludzi (Ra =
50÷72 przy Tcp = 3300÷3700 K) i mizerną skuteczność świetlną 20÷26 lm/W (a lampy 100 W nawet znacznie mniej) ich zakres stosowania jest coraz bardziej ograniczony.
36
8. Lampy sodowe niskoprężne
Lampy sodowe niskoprężne są źródłami światła o rekordowej skuteczności świetlnej, od 100
lm/W do nawet 200 lm/W, ale o świetle monochromatycznym uniemożliwiającym rozróżnianie
barw. Są dziedziną skończoną, w której trudno oczekiwać jakiegokolwiek wyraźnego postępu. Prototypowe konstrukcje pojawiały się od roku 1923, ale pierwsze znaczniejsze zastosowanie praktyczne pochodzi z roku 1932, kiedy firma Philips oświetliła drogę łączącą, odległe o 6 km, dwa
nieduże miasteczka w pobliżu Maastricht.
Podobnie jak lampy rtęciowe niskoprężne, wykorzystują promieniowanie rezonansowe i
wobec tego ciśnienie cząstkowe pary sodu, podstawowego składnika atmosfery w jarzniku, wynosi
ok. 1 Pa. Promieniowanie rezonansowe sodu to dwie linie widmowe usytuowane tuż obok siebie; są
wynikiem przejścia atomów sodu na poziom energetyczny podstawowy:
1236
≈ 588,99 nm ≈ 589,0 nm
2,098 − 0
1236
≈ 589,59 nm ≈ 589,6 nm
λ =
2,096 − 0
z poziomu 32P3/2 (2,098 eV), co daje linię widmową λ =
z poziomu 32P1/2 (2,096 eV), co daje linię widmową
Jest to tzw. dublet sodowy, promieniowanie monochromatyczne, światło pomarańczowe, jeśli
pominąć śladowe tło widmowe.
Rys. 41. Budowa lampy sodowej niskoprężnej [1]
1 – trzonek BY 22, 2 – bańka zewnętrzna, 3 – reflektor podczerwieni, 4 – próżnia, 5 – wgłębienia jarznika, miejsca kondensacji sodu, 6 – ścianka jarznika, 7 – atmosfera jarznika, 8 –
getter
W porównaniu z lampą rtęciową niskoprężną (świetlówką) okolicznością niezwykle korzystną jest to, że promieniowanie rezonansowe sodu leży w zakresie widzialnym, a nawet dość blisko
długości fali odpowiadającej największej czułości oka. Skuteczność fotometryczna całkowitego
promieniowania lampy wynosi ηf = 0,68. Nie są potrzebne luminofory, jak w świetlówce. Zarazem
w porównaniu ze świetlówką okolicznością bardzo niekorzystną jest to, że dla uzyskania odpowiedniego ciśnienia nasyconej pary sodu, jarznik trzeba utrzymywać w temperaturze aż ok. 300°C,
co – zważywszy dużą objętość jarznika, jak w każdej lampie niskoprężnej – niesie efekty niekorzystne. Występują duże straty cieplne obniżające sprawność energetyczną lampy, a zapłon zimnej
lampy trwa wyjątkowo długo: 7÷15 min. Aby traconą moc ograniczyć, rurze jarznika nadaje się
kształt litery U i umieszcza się ją w „termosie”, w bańce zewnętrznej oddzielonej próżnią (rys. 41).
Wewnętrzną powierzchnię bańki zewnętrznej pokrywa się powłoką (In2O3 lub SnO2 lub Au lub
Bi2O3), stanowiącą filtr interferencyjny odbijający promieniowanie podczerwone.
37
Jarznik ze szkła sodowo-wapniowego ma wewnątrz powłokę ze szkła boranowego, odporną
na działanie pary sodu. Ścianka jarznika ma szereg wgłębień, w których wytwórnia umieszcza sód
(rys. 41). Są to najchłodniejsze miejsca jarznika, w nich kondensuje się sód podczas stygnięcia
wyłączonej lampy i w nich w pracującej lampie pozostaje nadmiar sodu. Gdyby tych wgłębień nie
było, sód kondensowałby się na całej wewnętrznej powierzchni jarznika, tworząc zwierciadlaną
powłokę odbijającą światło. Aby ograniczyć kondensację sodu w zagięciu U jarznika, które mogłoby też być jednym z najchłodniejszych miejsc, osłania się je pokrywką lub powłoką odbijającą
promieniowanie podczerwone.
W jarzniku poza parą sodu znajduje się neon spełniający rolę gazu zapłonowego i gazu buforowego. Podczas rozgrzewu lampy zimnej wzbudzanie neonu daje czerwonawe światło. W warunkach ustalonych zanika ono niemal zupełnie, bo sód ma poziomy wzbudzenia i poziom jonizacji
(5,12 eV) kilkakrotnie niższe niż neon. W trakcie zapłonu elektrody wolframowe z dużą ilością
emitera nie są podgrzewane. Podwyższone napięcie zapłonowe (rzędu 1,4⋅Un) uzyskuje się z transformatora rozproszeniowego, układu autotransformatorowego lub układu L-C.
Rys. 42. Przebieg prądu (Il), napięcia (Ul) i mocy (Pl)
jarznika oraz strumienia świetlnego (Φ) podczas rozświecania lampy sodowej niskoprężnej o układzie
połączeń, jak na rys. 39b (wartości względne odniesione do znamionowych)
Podczas wielu minut rozgrzewu i rozświecania lampy strumień świetlny stopniowo zwiększa
się (rys. 42). Pobór prądu i mocy zmienia się w niewielkim zakresie, a w układzie z kompensacją
szeregową nie ma zwiększonego prądu załączeniowego.
Lampy sodowe niskoprężne są mniej niż inne lampy wrażliwe na odchylenia napięcia zasilającego (rys. 43), co w niektórych zastosowaniach może być cenną zaletą. Ze względu na wysoką
temperaturę jarznika lampa jest też mało wrażliwa na zmiany temperatury otoczenia.
Rys. 43. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego na względną wartość parametrów lamp
sodowych niskoprężnych [7]. Oznaczenia jak na
rys. 28-29.
38
Przydatność lamp sodowych niskoprężnych i właściwy zakres ich stosowania wzbudza emocje: od zachwytu skutecznością świetlną po potępienie za widmo światła. Nie wchodzą w rachubę
jako lampy do ogólnych celów oświetleniowych we wnętrzach. Pozostaje oświetlenie dróg o słabym ruchu pieszym bądź dróg miejskich doświetlanych wystawami sklepowymi albo dróg szybkiego ruchu, również autostrad, a zwłaszcza ich węzłów, gdzie do prowadzenia wzrokowego kierowców przydaje się światło o tak wyróżniającej się barwie. Bywa, że niezorientowani w niuansach
oświetleniowych kierowcy i inni użytkownicy dróg oświetlonych niskoprężnymi sodówkami w
ogóle nie dostrzegają uchybień widzenia barwnego: sygnalizacja świetlna świeci własnym światłem, podobnie pobliskie wystawy sklepowe i napisy świetlne, a kierowca oświetla drogę i przeszkody na niej białym światłem własnych reflektorów.
Monochromatyczne światło sodówek niskoprężnych zapewnia dużą ostrość widzenia, nawet
w zamglonej lub zapylonej atmosferze, co jest atutem w oświetleniu drogowym, a także w niektórych silnie zapylonych pomieszczeniach przemysłowych. Przydaje się też na stanowiskach kontroli
technicznej wykrywających defekty powierzchni.
Lampy sodowe niskoprężne nie nadają się do instalowania w miejscach narażonych na drgania, np. na estakadach dźwigów ani na mostach lub wiaduktach. Są wyjątkowo dużymi i ciężkimi
źródłami światła i mimo stosowanych środków zaradczych łatwo ulegają wtedy uszkodzeniom mechanicznym przy trzonku.
9. Lampy sodowe wysokoprężne
Jeżeli, wychodząc z warunków panujących w lampie sodowej niskoprężnej (1 Pa), zwiększać
ciśnienie cząstkowe pary sodu, to zanika promieniowanie rezonansowe sodu i skuteczność świetlna
wyładowania maleje aż do ciśnienia ok. 100 Pa. Dopiero przy dalszym zwiększaniu ciśnienia, rosnący udział wyższych przejść energetycznych atomów sodu pozwala znowu uzyskać zadowalający
poziom skuteczności świetlnej.
Lampa sodowa wysokoprężna (rys. 44), która to wykorzystuje, pojawiła się na rynku dopiero
w roku 1962, kiedy opanowano technologię przejrzystego materiału na jarznik, wytrzymującego
działanie pary sodu w temperaturze przekraczającej 750°C. Jest to lukaloks, tlenek glinu Al2O3 z
ewentualnym dodatkiem tlenku magnezu MgO, polikrystaliczny o współczynniku przepuszczania
do 0,96 albo monokrystaliczny o współczynniku przepuszczania do 0,98. Materiał nie jest plastyczny, wobec tego nie można zatapiać w nim doprowadników. Tnie się odcinki rurki z lukaloksu i z
obu końców wprowadza do wnętrza rurki niobowe do elektrod, uszczelnione korkami ceramicznymi. Niob ma współczynnik rozszerzalności cieplnej najbardziej zbliżony do wartości charakteryzującej stosowaną tu ceramikę glinową.
Rys. 44. Budowa lamp sodowych wysokoprężnych [1]: a) o bańce cylindrycznej przezroczystej; b) o bańce owalnej matowanej
1 – trzonek, 2 – getter (pochłaniacz gazów), 3 –
doprowadnik, 4 – jarznik, 5 – bańka zewnętrzna,
6 – warstwa rozpraszająca światlo
39
Do niedawna jarznik z reguły zawierał nasyconą parę sodu, parę rtęci jako gaz buforowy,
wielokrotnie zwiększający napięcie łuku oraz gaz szlachetny (Xe, A, Ne) jako gaz zapłonowy, a
przy okazji – ze względu na dużą masę atomową – ograniczający straty cieplne kolumny łukowej.
Jest tendencja eliminowania rtęci (ang. Hg-free lamps) i używania ksenonu jako gazu buforowego.
Zapłon i rozgrzew lampy zimnej trwa 2÷5 minut. Pobierany prąd początkowo ma wartość
(1,4÷1,6)⋅In. Czas powtórnego zapłonu lampy nagrzanej po krótkotrwałym zaniku lub zapadzie napięcia wynosi do 6 minut, ale wprowadzenie anteny zapłonowej spieczonej z jarznikiem pozwala
skrócić ten czas poniżej 1 minuty.
Rys. 45. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego na względną wartość parametrów lamp sodowych wysokoprężnych [7]. Oznaczenia jak na rys. 28-29.
Lampy sodowe wysokoprężne są dostępne w zakresie mocy od 35 W do 1000 W i wykazują
skuteczność świetlną od 40 lm/W do 150 lm/W. Niestety własności barwowe światła większości
typów sodówek wysokoprężnych nie są dobre: wskaźnik oddawania barw Ra < 35 przy Tcp ≈
2000÷2100 K, nieliczne mają wskaźnik Ra ≈ 65 przy Tcp ≈ 2150 K, nieakceptowany we wnętrzach o
stałym przebywaniu ludzi. Barwa światła złotożółta jest natomiast do przyjęcia w oświetleniu
ulicznym, a pożądana do dekoracyjnego oświetlania różnych budowli, zwłaszcza wykonanych z
piaskowca. Za poprawę własności barwowych do poziomu Ra ≈ 80÷85 przy Tcp = 2500 K płaci się
dwukrotnym obniżeniem skuteczności świetlnej, do poziomu 50÷60 lm/W. Ta dziedzina ma jeszcze
znaczny potencjał rozwojowy. Trwają poszukiwania nowych rozwiązań, jeśli chodzi o skład i parametry robocze atmosfery w jarzniku. Doskonali się elektroniczne układy stabilizująco-zapłonowe
gwarantujące stabilność parametrów mimo procesów starzeniowych, objawiających się zwiększaniem napięcia łuku oraz mocy pobieranej, i mimo występujących odchyleń napięcia, na które sodówki wysokoprężne są bardziej wrażliwe (rys. 45) niż sodówki niskoprężne.
10. Lampy metalohalogenkowe
Lampy metalohalogenkowe są pomysłem z roku 1911, zrealizowanym na skalę przemysłową
dopiero w roku 1962. Obejmują wiele odmian lamp do ogólnych celów oświetleniowych (rys. 46,
47) i do celów specjalnych (np. główne światła samochodowe).
Do przestrzeni wyładowania w jarzniku poza rtęcią wprowadza się również inne metale, ich
atomy są wzbudzane i do wzbogacenia widma wykorzystuje się ich wyższe przejścia energetyczne,
dające promieniowanie w zakresie widzialnym. Spośród ogólnej liczby osiemdziesięciu metali
40
wchodzi w rachubę użycie około pięćdziesięciu, które spełniają wszelkie stawiane warunki:
atomy mają liczne poziomy wzbudzenia, znacznie niższe niż poziom jonizacji, łatwo wzbudzają
się w atmosferze pary rtęci o dużym ciśnieniu cząstkowym, a prawdopodobieństwo ich jonizacji
jest nieduże,
w temperaturze roboczej jarznika do 1000 K tworzą lotne halogenki, a ich ciśnienie cząstkowe
pary nasyconej jest rzędu 1 kPa,
uzupełniają promieniowanie w pożądanym zakresie widma,
ich chemiczne oddziaływanie na ścianki jarznika i elektrody nie nadweręża nadmiernie trwałości
lampy.
Rys. 46. Budowa lampy metalohalogenkowej o przezroczystej bańce zewnętrznej
[7]
Można użyć różnej liczby wspomnianych metali i w rozmaitych proporcjach. Liczba możliwych kombinacji rozwiązań lamp metalohalogenkowych jest nieograniczona. Wykorzystują one
szczególnie skomplikowany mechanizm wytwarzania światła i nadal mają ogromne możliwości
rozwojowe. W lampach seryjnie produkowanych, nie przekracza się liczby dziesięciu metali, na
ogół jest ich nie więcej niż pięć. Do najczęściej wykorzystywanych należą:
- skandowce
- potasowce
- glinowce
- węglowce
21
Sc 66 Dy
11
Na ( 3 Li
49
In 81 Tl
50
Sn
67
Ho 69 Tm ( 58 Ce
19
K 37 Rb 55 Cs)
63
Eu )
Rys. 47. Różne kształty lamp metalohalogenkowych
o bańce przezroczystej (1÷4) lub matowanej (5 i 6) [7]
Lampa 4 (E40, 2000 W i 3500 W) dwustronnie trzonkowana z
odpowiednim układem zapłonowym jest przystosowana do bezzwłocznego ponownego zapłonu po krótkotrwałym zaniku napięcia
Wspomniane metale wprowadza się do jarznika nie w postaci czystej, lecz w postaci halogenków, na ogół jodków. W warunkach roboczych halogenki są lotne, a w osi jarznika, w kolumnie
łukowej, dysocjują, wprowadzając tam atomy podatne na wzbudzenie.
W rozgrzanym jarzniku składnikiem o największym ciśnieniu cząstkowym (rzędu 105 Pa) jest
41
para rtęci, która nie tylko dodaje swoje linie widmowe, ale również:
- pełni rolę gazu buforowego, pozwalając uzyskać pożądany poziom napięcia łuku,
- ogranicza dyfuzję innych metali z osi kolumny łukowej w kierunku ścianek jarznika,
- wiąże nadwyżkę jodu w przezroczysty jodek rtęciowy HgJ2 (o temperaturze wrzenia 351°C),
bo sam jod silnie pochłania światło.
Przy wielu składnikach niełatwo utrzymać jednorodny skład atmosfery w całej objętości jarznika o niejednakowej temperaturze, zapobiec „rozwarstwianiu się” składników, co niekorzystnie
odbija się na strumieniu świetlnym i na barwie światła. Dąży się z tego powodu do ograniczania
objętości jarznika i unika się wydłużonych jarzników; powinien to być cylinder o stosunku wysokości do średnicy nie przekraczającym liczby 4, a wyjątkowo 5.
Ciśnienia cząstkowe par nasyconych użytych metali zależą od temperatury najchłodniejszego
punktu jarznika. Stąd wrażliwość lamp metalohalogenkowych na odchylenia napięcia zasilającego i
na odchylenia od przewidzianego przez wytwórcę położenia pracy. Końce jarznika powinny mieć
temperaturę wyższą od średniej, by zapobiec tam kondensacji jodku sodu NaJ i niektórych innych
halogenków.
Jarznik początkowo wykonywano z czystego kwarcu (jarznik kwarcowy), ale pozwalał on na
dyfuzję składników atmosfery jarznika i stopniową degradację parametrów wyładowania; obecnie
używa się również lukaloksu (jarznik ceramiczny), który temu zapobiega. Lampy metalohalogenkowe z ceramicznym jarznikiem (pierwsze to Mastercolour w roku 1994) mają bardziej stabilne
parametry barwowe i większą trwałość, a dzięki wyższej temperaturze jarznika również wyższą
skuteczność świetlną. Bańka zewnętrzna ze szkła hartowanego jest przezroczysta (rys. 47) albo
matowana dla zmniejszenia luminancji.
Rys. 48. Przebieg prądu pobieranego (1) i
strumienia świetlnego (2) podczas rozświecania lampy metalohalogenkowej 1000 W (wartości względne odniesione do znamionowych)
Mieszaninę Penninga ułatwiającą zapłon stanowi para rtęci oraz gazy szlachetne (Ne+A lub
Kr+A). Halogenki, obecne w postaci lotnej również w trakcie zapłonu, są elektroujemne, co niestety podnosi napięcie zapłonowe lampy. Rzadko – w przypadku lamp mniejszej mocy – wystarcza
elektroda zapłonowa i układ zasilania ze statecznikiem, jak w przypadku zwykłej rtęciówki. Do
zapłonu zimnej lampy jest na ogół potrzebny układ zapłonowy wytwarzający impulsy napięciowe
(np. o częstotliwości 22,5 kHz) o wartości szczytowej 1,8...3 kV. Rozgrzew trwa kilka minut (rys.
48), a prąd wtedy pobierany może być blisko dwukrotnie większy niż znamionowy, co wymaga
uwzględnienia przy projektowaniu instalacji. Natychmiastowy zapłon lampy nagrzanej, po krótkotrwałym zaniku lub zapadzie napięcia wymaga przyłożenia napięcia o wartości szczytowej 25÷60
kV i specjalnej konstrukcji lampy dwustronnie trzonkowanej (rys. 47). Lampy metalohalogenkowe
są bardzo wrażliwe na odchylenia napięcia (rys. 49).
Dostępny asortyment lamp do ogólnych celów oświetleniowych obejmuje szeroki zakres mocy od 20 W do 2000 W przy skuteczności świetlnej od 60 lm/W do 100 lm/W, przy czym te większe wartości na ogół nie idą w parze z doskonałymi parametrami barwowymi światła. Są jednak
dostępne lampy o wskaźniku Ra > 95 przy temperaturze barwowej Tcp = 6500 K, niezastąpione w
42
miejscach, gdzie są najwyższe wymagania w tym względzie i trzeba wytworzyć ogromny strumień
świetlny: stadiony przystosowane do transmisji telewizyjnej.
Rys. 49. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego na względną wartość parametrów lamp
metalohalogenkowych [7].
Oznaczenia jak na rys. 28-29.
Pojawiły się lampy Mastercolour City CDM-TT/ET o mocach 70 W, 100 W i 150 W jako
bezpośrednie zamienniki lamp sodowych wysokoprężnych SON. Wymieniając same źródła światła
w istniejących oprawach oświetleniowych można poprawić własności barwowe wytwarzanego
światła. Podobnie, jak w przypadku lamp sodowych wysokoprężnych, doskonalone są elektroniczne stateczniki i regulatory strumienia świetlnego.
11. Diody elektroluminescencyjne
Diody elektroluminescencyjne (ang. light emitting diode – LED) są półprzewodnikowymi
przyrządami optoelektronicznymi, emitującymi promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie
widzialnym, jak i podczerwieni, a ostatnio również – w zakresie nadfioletu. Pojawiły się około roku
1960 jako miniaturowe półprzewodnikowe elementy nieorganiczne (mineralne) o strumieniu
świetlnym, luminancji, własnościach barwowych światła i skuteczności świetlnej na poziomie wykluczającym ich użycie do celów oświetleniowych. Były stosowane wyłącznie jako miniaturowe
źródła światła do celów sygnalizacyjnych i dekoracyjnych. Od tego czasu nastąpił taki ich rozwój, a
perspektywy nadal są obiecujące, że są brane pod uwagę w różnorodnych dziedzinach techniki
oświetleniowej (rys. 50).
Rys. 50. Budowa jednej z odmian diod elektroluminescencyjnych
Diody wytwarzają światło na zasadzie elektroluminescencji (rozdz. 3). Przy przepływie
prądu przewodzenia nośniki większościowe po przejściu przez złącze ulegają rekombinacji, czemu
43
towarzyszy zwrot energii uprzednio pobranej przy uwalnianiu elektronów z wiązań. Energia ta jest
wyzwalana w postaci ciepła nagrzewającego złącze i w postaci promieniowania, przy czym proporcje mocy uwalnianej pod jedną i drugą postacią są bardzo różne, zależą przede wszystkim od materiału złącza. Na diody LED nadają się struktury, które wypromieniowują kilkadziesiąt procent
uwalnianej mocy (rekombinacja promienista), a nie jak krzem tylko 1% i to w zakresie podczerwieni.
Wykorzystuje się promieniowanie spontaniczne, przejścia proste, gdy elektrony, przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy, wypromieniowują kwant energii h⋅ν. Przejścia
tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum
pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu. Takie przejścia najpierw wykryto w fosforku galu GaP oraz w arsenku galu GaAs, który ponadto odznacza się dużą sprawnością kwantową (stosunkiem liczby przejść rekombinacyjnych generujących
fotony do liczby nośników ładunku przechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n). Z obydwu powodów GaAs był początkowo podstawowym materiałem do produkcji diod LED.
Elektroluminescencja w półprzewodniku w zasadzie wymaga polaryzacji w kierunku przewodzenia. Świeci głównie warstwa p, a intensywność świecenia zależy od wartości prądu przewodzenia, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Długość fali generowanego promieniowania monochromatycznego diody można obliczyć tak samo, jak w przypadku lamp
niskoprężnych (rys. 15, rozdz. 7), jeżeli zna się wyrażoną w elektronowoltach różnicę energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja (Wc – Wv), czyli szerokość pasma zabronionego
(Wg = Wc – Wv):
λ =
1236
Wg
[nm]
Poza tym dominującym promieniowaniem mogą się pojawiać również fale o innych długościach, ponieważ rekombinujące nośniki mogą mieć energie z różnych poziomów pasma przewodnictwa i przeskakiwać na różne poziomy pasma walencyjnego, ale prawdopodobieństwo takich
przejść jest znacznie mniejsze.
Są też bipolarne diody elektroluminescencyjne, działające po odwróceniu biegunowości
napięcia. Niektóre zmieniają wtedy barwę światła, czyli zachowują się jak dwie różne diody w
jednej obudowie.
Występują straty mocy promienistej wskutek pochłaniania wewnętrznego i całkowitego wewnętrznego odbicia. Miarą tych strat jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej 1 . O ile wewnętrzna sprawność kwantowa nqw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza (wskazana technika dyfuzyjna) oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle
na zewnętrzną sprawność kwantową nqz ma także wpływ kształt diody (płaska, półsferyczna).
Pierwsze diody LED miały promieniowanie jednobarwne, prawie monochromatyczne i skuteczność świetlną rzędu 1 lm/W, co ograniczało ich stosowanie tylko do celów sygnalizacyjnych.
Co kilka lat ogłaszano sukces w postaci uzyskania kolejnej barwy (tabl. 4, rys. 51) w wyniku wypróbowania nowej kompozycji materiałów i procedury ich domieszkowania, po czym trwały prace
nad poprawą skuteczności świetlnej nowej diody. Barwy kolorowe diod są barwami widmowymi
albo bardzo do nich zbliżonymi, sytuują się na linii barw widmowych układu xyz albo tuż przy tej
linii [6].
1
Zewnętrzna sprawność kwantowa – stosunek liczby fotonów wyemitowanych przez diodę do liczby nośników przepływających przez złącze. Wewnętrzna sprawność kwantowa – stosunek liczby wygenerowanych fotonów do liczby
rekombinujących par elektron-dziura.
44
Tablica 4. Przykłady diod elektroluminescencyjnych o różnych barwach
Długość fali
promieniowania
nm
Napięcie progowe
λ > 760
ΔV < 1,63
AlGaAs – arsenian galu/glin
610 < λ < 760
1,63 < ΔV < 2,03
AlGaAs – arsenian galu/glin
Pomarańczowa
590 < λ < 610
2,03 < ΔV < 2,10
GaAsP – arsenian/fosforek galu
Żółta
570 < λ < 590
2,10 < ΔV < 2,18
GaAsP – arsenian/fosforek galu
Zielona
500 < λ < 570
2,18 < ΔV < 2,48
GaN – azotek galu
450 < λ < 500
2,48 < ΔV < 2,76
Barwa
IR (podczerwień)
Czerwona
Niebieska
V
Zastosowany półprzewodnik/
/domieszkowanie
GaAsP – arsenian/fosforek galu
GaP – fosforek galu
ZnSe – selenek cynku
InGaN – azotek galu/ind
SiC – węglik krzemu
Fioletowa
UV (nadfiolet)
Biała
400 < λ < 450
2,76 < ΔV < 3,1
λ < 400
ΔV > 3,1
C – diament
ΔV = 3,5
W miarę poprawiania skuteczności świetlnej diod rozważano ich użycie do celów oświetleniowych, ale konieczna była poprawa własności barwowych i uzyskanie światła białego. Najpierw
czyniono to łącząc trzy diody R, G i B w jednej obudowie. Wyniki były mierne, jeśli chodzi o powtarzalność parametrów, nawet przy łączeniu ich na poziomie matryc diodowych.
Rys. 51. Widmo promieniowania diod wykonanych z różnych materiałów
W końcu opanowano produkcję białych diod w formie pojedynczej struktury. Początkowo
diody niebieskie domieszkowano fosforem, co dawało światło białe o temperaturze barwowej około
4000 K i wskaźniku oddawania barw Ra do 75, ale parametry te nie były stabilne. Nowsza technologia polega na wykorzystaniu diod wytwarzających promieniowanie nadfioletowe, następnie przetwarzane przez luminofor. Takie diody są odmianą fluorescencyjnych źródeł światła i rokują duże
nadzieje; wystarczy opanować technologię diod UV o wysokiej sprawności, które będą źródłem
światła o dość dowolnej barwie określonej przez zastosowany luminofor, który też musi się odznaczać jak najwyższą sprawnością energetyczną.
45
Skuteczność świetlna mniejszych diod aktualnie osiąga wartości: 10÷20 lm/W w przypadku
diod niebieskich, zielonkawych i białych, 20÷40 lm/W – żółtych i czerwonych, a diod dużej mocy –
100 lm/W.
Pojawienie się ostatnio diod dużej mocy (ang. power LED) przyspieszy oświetleniowe zastosowania diod LED. Mają one moc: 1 W (350 mA), 2,5 W (700 mA) i 5 W (1,4 mA), emitują światło o różnej barwie: białe, ciepłobiałe, bursztynowe, czerwone, zielone, niebieskie, niebieskozielone. Wymagają dobrego odprowadzania ciepła przez radiatory, których temperatura nie powinna
przekraczać na przykład 80°C. Przegrzewanie grozi pogorszeniem parametrów fotometrycznych i
znacznym obniżeniem trwałości złącza.
Diody elektroluminescencyjne charakteryzuje się, podobnie jak inne źródła światła, zarówno parametry elektryczne, jak i fotometryczne. Główne parametry elektryczne to: dopuszczalny prąd przewodzenia
(zwykle 10÷300 mA) i spadek napięcia przy przewodzeniu (1,5÷3,5 V). Natomiast do parametrów
fotometrycznych należą:
moc promienista (zwykle rzędu miliwatów) i strumień świetlny,
widmo promieniowania i własności barwowe światła: temperatura barwowa (2800÷5500 K) i
ogólny wskaźnik oddawania barw (70÷90 dla diod białych),
rozsył światłości, najlepiej w postaci wykresu biegunowego, a co najmniej kąta rozsyłu (diody
o rozsyle wąskokątnym, np. 10°, szerokokątnym, np. 60° i więcej).
Rozsył światłości jest zależny od budowy matrycy diodowej emitującej światło, ale może być
także kształtowany dzięki kształtom jej obudowy i właściwościom materiałów, z których jest ona
zbudowana. Obudowy matryc powodują wprawdzie pogorszenie niektórych właściwości związane
np. ze zmianą warunków termicznych pracy złącza półprzewodnikowego, wpływającą na stabilność
parametrów, ale w zamian mogą pełnić rolę elementu optycznego kształtującego bryłę światłości.
Obudowy bywają cylindryczne o półsferycznym zakończeniu, o średnicy 3, 5, 8 i 10 mm, cylindryczne o płaskim zakończeniu, prostokątne, a także do montażu przewlekanego lub powierzchniowego.
Rys. 52. Przykład zasilania diod elektroluminescencyjnych
Diody elektroluminescencyjne są wrażliwe na temperaturę złącza, najsilniej reagują na nią
diody czerwone, najsłabiej niebieskie. Ze wzrostem temperatury maleje strumień świetlny (np. o
40% przy wzroście temperatury o 50 K dla wrażliwszych), a zwiększa się długość fali, której odpowiada maksimum mocy promienistej. W konsekwencji nawet większa zmiana temperatury otoczenia, w której pracuje lampa o świetle białym z matrycami RGB, wpływa na temperaturę barwową emitowanego światła. Zapobieganie temu wymaga stosowania układów elektronicznych, które
tak sterują rozpływem prądu przez diody, że barwa wymieszanego światła jest stała.
Oprócz światłości od temperatury otoczenia zależy również szerokość pasma zabronionego
pomiędzy pasmami przewodnictwa w półprzewodniku. Prowadzi to do zmiany długości emitowanych fal świetlnych (zmienia się barwa światła) oraz do zmiany napięcia przewodzenia. Zmiany te
46
są na ogół niewielkie, ale w niektórych zastosowaniach należy również o nich pamiętać, gdyż niewielkie zmiany napięcia zasilającego diody prowadzą do znaczącego wzrostu prądu diody.
Trwałość użytkowa diod wynosi 60 000÷100 000 h, co praktycznie oznacza, że źródeł światła w ogóle się nie wymienia. Są to konstrukcje zwarte i zamknięte, o niedużych wymiarach, bardzo
niezawodne, odporne na narażenia mechaniczne i inne. Diody są zasilane napięciem bardzo niskim
6 V, 12 V lub 24 V (rys. 52), na przykład ze źródła bezpiecznego SELV, co rozwiązuje wszelkie
problemy ochrony przeciwporażeniowej. Nie wykazują zwiększonego prądu załączeniowego. W
porównaniu z innymi źródłami światła ich bezpośrednie i pośrednie zagrożenie dla środowiska jest
wyjątkowo małe; zwiększy się nieco w razie upowszechnienia diod z luminoforem. Zatem diody
LED mają wiele ważnych zalet w porównaniu z innymi źródłami światła.
Aktualne ich zastosowania są różnorodne. Nadal rozszerzają się ich zastosowania w roli
świateł sygnalizacyjnych:
samochodowych (światła kierunkowskazów, hamowania, pozycyjne, obrysowe, tablicy rejestracyjnej, wnętrza, wskaźniki),
ulicznych (oprawy w nawierzchni wyznaczające pasy ruchu lub torowiska, sterowanie ruchem),
nawigacyjnych (pasy startowe lotnisk),
przeszkodowych (na wysokich obiektach),
osobistych (pieszych, rowerzystów, motocyklistów),
ciągów komunikacyjnych w budynkach (schody i inne przeszkody, drogi ewakuacyjne) i innych
znaków ułatwiających orientację w pomieszczeniach z wygaszonym oświetleniem podstawowym.
Do oświetlania wnętrz są dostępne diodowe oprawy sufitowe i przenośne lampy do oświetlenia miejscowego. W oświetleniu zewnętrznym można wskazać liczne aplikacje: oprawy parkowe,
ogrodowe, uliczne i dekoracyjne, oznaczenia przeszkód lub tras, oświetlenie elewacji budynków.
Kanadyjski operator sieci elektroenergetycznej Hydro-Quebec ocenia roczne zużycie energii
elektrycznej przez sygnalizację uliczną w prowincji Quebec na 58 700 000 kWh, co odpowiada
zużyciu przez 2400 gospodarstwa domowe. Zastąpienie żarówek sygnalizacyjnych (o trwałości
8000 h i skuteczności świetlnej 10 lm/W) przez diody LED (o trwałości co najmniej 60 000 h i skuteczności świetlnej co najmniej 40 lm/W) pozwoli kilkakrotnie zmniejszyć koszty energii i w stopniu jeszcze większym koszty wymiany źródeł światła. Na niekorzyść diod przemawiają koszty inwestycyjne: żarówka kosztuje tylko kilka euro, a równoważna matryca diodowa 60 euro. Szacunkowo można przyjąć koszt diod jako bliski 10 centów/lumen i dopóki nie zmaleje on kilkakrotnie,
dopóty będzie głównym hamulcem w ich masowym stosowaniu.
Rys. 53. Wyświetlacz LED na gmachu giełdy
NASDAQ w Nowym Jorku
47
Na fasadzie nowojorskiego gmachu giełdy papierów wartościowych NASDAQ (ang. National Association of Securities Dealers Automated Quotations), pierwszej całkowicie elektronicznej
giełdy na świecie, zamontowano ogromny wyświetlacz z dziesiątków tysięcy diod elektroluminescencyjnych podający bieżąco najważniejsze informacje giełdowe (rys. 53).
Na dworcu lotniczym w Detroit ćwierćkilometrowy tunel dla pieszych oświetlono diodami
LED. Sufit i ściany, wyłożone rzeźbionym szkłem i przezroczystym plastykiem, są ekranami dla
sterowanych komputerowo widowisk światło i dźwięk odtwarzanych za pomocą tysięcy diod.
Podobne przykłady można by mnożyć. Są one wskazówką, że w nadchodzących kilku latach
to zapewne diody elektroluminescencyjne dokonają największej ekspansji w technice oświetleniowej. Oczywiście nie z punktu widzenia wytwarzanej ilości światła, czy udziału w bilansie zapotrzebowanej mocy i zużywanej energii na cele oświetleniowe.
Niedługo po pojawieniu się diod o dużej światłości (HB-LED) światowe obroty nimi zwiększają się corocznie o ponad 20%. W roku 2002 osiągnęły 1,8 mld USD, z czego 40% przypadło na
wyświetlacze telefonów komórkowych i innych aparatów przenośnych, 23% na duże tablice świetlne, 18% na oświetlenie samochodowe, tylko 5% na ogólne cele oświetleniowe i 2% na tradycyjną
sygnalizację, a pozostałe 12% na liczne inne drobne aplikacje. W roku 2005 wyniosły 3,4 mld USD
i przewiduje się, że osiągną 4,4 mld USD w roku 2007, z czego 45% przypadnie na telefony komórkowe, ale do 11% wzrośnie udział ogólnych zastosowań oświetleniowych (z tego 1/3 na diody
o białym świetle)
Studium sporządzone dla amerykańskiego departamentu energetyki prognozuje, że po upowszechnieniu do ogólnych celów oświetleniowych białych diod drugiej generacji światowe zużycie
energii elektrycznej udałoby się zredukować o 10%, co odpowiada rocznej oszczędności 100 mld
USD.
Rys. 54. Giętki ekran OLED z organicznych diod
elektroluminescencyjnych
Nowym produktem, który w przyszłości może zaważyć na rynku diod, są diody elektroluminescencyjne o złączach ze związków organicznych OLED (ang. organic light emitting diode), patent Kodaka z roku 1987, wdrożony ponad 10 lat później (rys. 54). Na razie są u progu rozwoju,
mają niezadowalającą trwałość i skuteczność świetlną. Jednym z pierwszych (2004/2005) zastosowań przemysłowych są wyświetlacze (OLED screen) przenośnych odtwarzaczy mp3. Mogą w
przyszłości wyprzeć wyświetlacze LCD. Przewiduje się ich zastosowania oświetleniowe po roku
2010 w postaci powierzchniowych źródeł światła, takich jak pokrycia sufitowe i kotary świetlne.
Literatura
1.
2.
Baer R. : Beleuchtungstechnik. Grundlagen. Verlag Technik, Berlin-München, 1990.
Florentine F. A. i inni: Lighting high bay areas with electrodeless lamps. Journal of the Illumi48
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
nating Society, Winter 1997, s. 27-34.
Gündel H., Sonnenburg R.: Frequenzverhalten von Leuchtstofflampen. Elektrie, 1989, nr 1, s.
8-10.
Kiefer G.: VDE 0100 und die Praxis. VDE Verlag, Berlin, 1992.
Litvinov V. S., Rochlin G. N.: Teplovye istočniki optičeskogo izlučenija. Ènergija, Moskva,
1975.
Musiał E.: Podstawowe pojęcia techniki oświetleniowej. Biuletyn SEP „Informacje o normach
i przepisach elektrycznych”, 2005, nr 75, s. 3-38.
Ris H.R.: Beleuchtungstechnik für Praktiker. VDE-Verlag, Berlin-Offenbach, 1992.
Roth H.: Sachgerechter Einsatz von Kompaktleuchtstofflampen. Elektropraktiker, 1994, nr 2, s.
128-130, nr 3, s. 231-233.
Turner B.P. i inni: Sulfur lamps – progress in their development. Journal of the Illuminating
Society, Winter 1997, s. 10-16.
Directive 2000/55/EC of the European Parliament and of the Council of 18 September 2000 on
energy efficiency requirements for ballasts for fluorescent lighting.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 14 czerwca 2005 r. w sprawie zasadniczych wymagań w zakresie efektywności energetycznej dla stateczników do lamp fluorescencyjnych. Dz.U.05.110.929. Rozporządzenie wprowadzające Dyrektywę 2000/55/EC.
Directive 2002/95/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the
restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment.
(Directive RoHS)
Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 6 października 2004 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących ograniczenia wykorzystywania w sprzęcie elektronicznym i
elektrycznym niektórych substancji mogących negatywnie oddziaływać na środowisko. Dz.U
04.229.2310. Rozporządzenie wprowadzające Dyrektywę RoHS.
Dane bibliograficzne:
Musiał E.: Przegląd elektrycznych źródeł światła. Główne właściwości i tendencje rozwojowe.
Biul. SEP INPE „Informacje o normach i przepisach elektrycznych”, 2006, nr 79, s. 3–66.
49